浮球式波浪能发电装置的设计
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2013年6月 湛江师范学院学报 Jun.,2013 第34卷第3期 JOURNAL OF ZHANJIANG NORMAL UNIVERSITY Vo1.34 No.3
浮球式波浪能发电装置的设计
郭超明,梁锦仁,易小玲,陈嘉妍,李 颖,陈惠嫦,陈 霞
(湛江师范学院物理科学与技术学院,广东湛江524048)
摘要:依据电磁感应原理,设计出一种新型的浮球式波浪能发电装置,装置主要是利用漂浮于海上的浮球在 波浪作用下相对运动所收集到的波浪能转化为电能,在波浪的冲击下,引起浮球里面发电装置的强磁铁振动,振动 着的强磁铁不断地经过内置式的线圈,线圈切割磁感线,导致线圈里的磁通量发生变化,从而在线圈两端产生感应 电动势.该装置充分有效的利用了新能源,固定轨道,多方向电磁切割发电,具有实用性,科技含量高. 关键词:波浪能发电装置;电磁感应定律;浮球式;固定轨道;新能源 中图分类号:P743.2 文献标识码:A 文章编号:1006—4702(2013)03—0134一O8
当今世界,人类社会发展日益加速,无论是在工业,农业,还是第三产业服务业,高新技术产业,都处于人 类历史上空前发展最快的一个阶段.社会的发展提高了人类的生活水平,大大加强了社会生产力,同时对能
源(如煤,石油)的需求和使用也大幅提高,从汽车内燃机到家用电器,无不需要能源的运作.但我国能源分布
不均匀,能源的利用率不高,长期面临能源供不应求的局面,人均能源水平低,这与我国的快速发展非常不协 调.如果新的能源体系尚未建立,能源危机将会席卷全球.最严重的状态,莫过于工业大幅度萎缩,或甚至因
为抢夺剩余的石油资源而引发战争.为了避免能源枯竭,目前美国,加拿大,日本,欧盟,中国都在积极开展各 种新能源的研究和探索.如太阳能,风能,生物质能,地热能,海洋能(包括潮汐能和波浪能).它们共同的特点
是资源丰富,可以再生,没有污染或很少污染,它们是远有前景,近有实效的能源. 我国的微型波浪能技术已经成熟,小型岸式波浪能发电技术已进入世界先进行列[1 ].在波浪能发电规
模方面,世界上已从100、1 000级发展到10 000级的应用,而我国目前仍停留在100、1 000级的水平上,至 2020年的远景目标也只是发展到1 000级的波浪能发电站,波浪能开发的规模远小于挪威、英国等国家.而
我国沿海理论波浪能年平均功率约为1.3×10 kW,其中浙江,福建,广东,台湾地区和广东沿海地区为波浪 能丰富的地方.因此,面对这清洁的、可再生的波浪能源的有效利用已成为我国的战略性选择.波浪能的开发
与利用在世界的能源舞台上演绎着举足轻重的角色.
1 实验原理
1.1电磁感应定律 实验主要是利用电磁感应定律,让磁铁切割磁感线,产生感生电动势.电磁感应是指磁通量变化产生感 应电动势的现象 .本实验主要是利用漂浮于海上的浮球在波浪作用下相对运动,利用海水运动所收集到
的波浪能转化为电能.利用波浪的运动,引起发电装置里的磁铁振动,振动着的磁铁不断地经过内置式的线 圈,线圈切割磁感线,导致线圈里的磁通量发生变化,从而在线圈两端产生感生电动势.线圈振动的发电装置
收稿日期:2013—05—18 基金项目:2012年广东省大学生创新创业韧I练计划项目(1057912013). 作者简介:郭超明(1993一),男,广东五华人,湛江师范学院物理科学与技术学院2011级学生 * 通讯作者.
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其中优为强磁铁的质量
合力:
动力学方程:
令
从而推出Y的通解为: F上一mg一是(△Z+ )一一是 — &Y&
&v +鱼v一0
一 一
y=Acos(oJo£+西o) (2—2)
(2—3)
(2—4)
(2—5)
1.3不倒翁力学原理 不倒翁放在平面上受到两个外力的作用:一个是其自身的重力w,即地球的吸引力;另一个是桌面的支
持力,即桌面对浮球的反作用力.根据物体力学的平衡条件,只要这两个力大小相等、方向相反、作用在一条 直线上,不倒翁就能够保持平衡的状态.因此不倒翁在受到外力的作用时,就要失去平衡,而在外力去除后,
不倒翁能自行回复到平衡状态,这说明不倒翁具有一种抵抗外力干扰保持平衡的能力,这就是平衡的稳定
性.我们设计的浮球就是应用这个原理,让整个发电装置在海平面上不会360。翻滚,维持相对的振动,从而 不断的沿着预定轨道切割磁感线运动,产生感应电动势.以下是我们的理论力学分析 ]:
如上图3所示:
刀二
.一 B’ 支攘力
图3浮球不倒翁设计受力分析
稳心:将支撑力延长与不倒翁轴线交于M点,则M点称为稳心
稳心高度:重心G到稳心M的距离GM称为稳心高度
稳心半径:B 到稳心M的距离BM称为稳心半径
重心为G,重力为w,平面的支点为B,桌面支撑力w 当无外力作用:
W—W
平衡有外力作用:
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支点B变为B ,W=W
但不在一条直线上,形成一个扶正力矩M
M1一w×力偶距
M1==:W・一GM・sina
外力撤离:扶正力矩Ml使不倒翁回到平衡位置
由以上分析可见:不倒翁倾斜时受到两个力矩的作用,我们称外力的作用为干扰,外力形成干扰力矩;另
一个叫扶正力矩(M。),由自身的重力形成,本来不倒翁是直立的,由于外力的作用,外力对不倒翁与制成面
的接触点产生力矩,使不倒翁倾斜,打破原来的平衡.此外,本来重力是不产生力矩的,因为本来不倒翁是直
立的,重力的作用线和支点位于同一直线上,力矩为零.由于外力的作用,不倒翁倾斜,半球体向一侧滚动,接 触点随之移动,形成了新的接触点,即形成了新的支点,此时重力的作用线和原支点不在同一直线上,因而形
成力矩,这就是扶正力矩.正是由于扶正力矩的形成和发展,抵抗和制止了外力的干扰作用.
因此,我们巧妙的把这一原理应用于浮球式发电装置中,如果波浪能不是很激烈的时候,海平面的振动
相对缓慢,浮球将在海平面上随着波浪的起伏上下振动,当波浪能非常剧烈的时候,一个外力令浮球倾斜了,
当这个力消失的时候浮球又会维持平衡,而不至于影响正常的发电L1。。.
2实验装置的系统设计
实验主要研究设计利用浮球式的发电装置在波浪的冲击下,将波浪能转换为电能.我们的实验设计采用
模拟海浪运动的方式,给予浮球一个策动力,直接带动浮球振动,进而带动磁铁振动,与线圈相对运动,而产
生电能使二极管变亮的可能.它的作用是收集垂直方向上的波浪能.从线圈与永磁体组的结构看出,设备发
出的是交流电,所以采用二极管来进行实验现象的验证.考虑到电磁感应产生的电压太低,我们拟将设计整
流器把交流电转变成直流电.或者通过一定数量的浮球串联起来一起发电,让其产生更大的感应电动势.此
外该装置不仅仅可以应用于发电领域,提供小功率的用电器使用,还可以进行储能、海上浮标等等领域,充分 有效的利用海洋资源,我们还将我们的装置在实验室进行模拟实测,取得了一线的数据和试验资料,让我们
今后的改进以及创新提供了有力的信息和资源.今后我们也会在条件成熟的时候在海边进行实测.
2.1波浪能发电装置 波浪能发电装置的整体结构主要包括5个部分,分别是浮球、线圈、强磁铁、弹簧(拉簧)和二极管,其结 构图如图4所示.其中在浮球上留有2孔,用来将连接发电机的导线引出来,把二极管安置在所需要的地方
上,进行实验现象的验证,浮球内是发电机,永磁体用弹簧(拉簧)固定在浮球顶端位置,线圈则固定在浮球底
部,强磁铁的上下振动从而使线圈磁通发生变化,从而产生感应电动势.
灯泡
图4 波浪能发电装置的整体结构 浮球
线圈 140 湛江师范学院学报(自然科学) 第34卷
的图形.
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图lO感应电动势随时间变化的图形
为了测量发电装置的发电功率,我们通过采集器和传感器测量发电的电压和电流,并通过公式,计算发 电装置的发电功率,如表3所示.
表3发电功率
由上表3可知,发电装置最大的平均发电功率是,以上实验结果是在实验室的基础上测得的.
4 结 论
浮球式波浪能发电装置的设计充分利用了海洋现有资源的优越性,采用灵活的海上发电方式,提供最便 捷的用电服务,而且不受海边地形的影响,实现固定轨道,多方向电磁切割发电,有更强的适应性和实用价
值,采用电磁感应定律、机械共振原理和不倒翁的力学理论原理,简单、高效、灵活.
实验装置不仅仅可以应用于发电领域,提供小型功率的用电器使用,还可以应用于海洋浮标、储能等等
方面;浮球式发电装置还可以利用其它动力来驱动,比如日常生活中的振动能,在汽车经过公路给公路施加
压力的同时,汽车经过驱动装置,在车流量大的公路上装置不停地振动从而产生电能,充分有效的利用了二 次能源;还可以与我们健身的运动器材相结合,有效地利用了人民群众劳动时释放的生物能,也可以制作微
型的手摇发电装置应用于儿童玩具上,等等这些应用都加大了该装置的竞争性、实用性和高效性.
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参考文献: [1]Sonal Patel,徐慧超.海洋能源的利用与开发[J].河南大学出版社. [2]世界海洋波浪能发电技术的发展现状与前景U/OL]htTp://wenku.baidu.com/view/O4170edO240c844769eaee73.htm1. [3]张希良.风能开发利用[M].化学工业出版社,2004. [43 Bhag Singh,Guru Huseyin R.Hiziroglu,.Electromagnetic Field Theory Fundamentals[M].北京:中国工业出版社,2005. [5]John David Jackson.Classical E/ectrodynamics(Third Edition)[M].Professor Emeritus of Physics University of Cahfornia berkeley. [6]梁灿彬,秦光戎.电磁学(第二版)[M].北京:高等教育出版社. [7]杨述武,普通物理实验(电磁学部分)[M].北京:高等教育出版社. [8]漆安慎,杜婵英.力学(第二版)FM].北京:高等教育出版社,2005. [9]曹春梅,张晓宏.物理与工程[M].北京:清华大学出版社,2002. [1O]Masaaki Imari,Yukihisa Washio.Hirotaka Osawa.Development of fin offshore floating type wave power energy converter system“mighty whale'”[J].Science&Technology in Japan,1997.60(15):28.30.
The Design of Wave Power Generator in Float
GUO Chaoming,LIANG Jinren,YI Xiaohng,CHEN Jiayan,LI Ying,CHEN Xia (School of Physical Sciences and Technology,Zhanjiang Normal College,Zhanjiang,Guangdong 524048,China)
Abstract:Based on the principle of electromagnetic induction,a new type of float—wave energy gener—
ation devic is designed.The device mainly collects by the relative motion of the float floating in the sea wave action wave energy and turns it into electrical energy,.the impact of the waves causes the strong mag—
nets vibration of the float inside the power generation unit,the vibrating strong magnet magnetic induction
lines through the built—in coil,coil cutting,resulting in a magnetic flux change in the coil,so that both ends of the coil induces electromotive force.The device is effective in use of new energy. Key words:wave energy generating device;la w of electromagnetic induction;float;fixed rail;new an—
ergY