海洋動能發電裝置在水下探測航行器的安裝位置對發電性能的影響

丁文俊,宋保維,毛昭勇,王科燕

(1.西北工業大學航海學院,710072,西安;2.西北工業大學水下航行器研究所,710072,西安)

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海洋動能發電裝置在水下探測航行器的安裝位置對發電性能的影響

丁文俊1,2,宋保維1,2,毛昭勇1,2,王科燕1

(1.西北工業大學航海學院,710072,西安;2.西北工業大學水下航行器研究所,710072,西安)

為了研究海洋動能發電裝置在水下探測航行器中的安裝位置對其發電性能的影響,根據拉格朗日方程建立了水下探測航行器與晃動擺的耦合非線性運動方程,在不同的阻尼系數和橫搖激勵頻率下,采用龍格庫塔方法分別對海洋動能發電裝置安裝位置對發電性能的影響進行了數值分析。研究結果表明:海洋動能發電裝置的安裝距離(晃動擺的擺動中心到航行器質心的距離)為零時,在橫搖固有頻率激勵下,系統收集能量為零;安裝距離不為零時,能量收集系統在固有頻率附近呈現振動系統所有的特性;收集的功率與安裝距離為二次方關系,且在不同頻率時,在安裝距離為零附近都有一零功率點,說明發電裝置安裝距離應盡量避免為零,且這一安裝位置與阻尼系數無關,而與頻率有關。研究結果將為后期海洋動能發電裝置的安裝布放提供借鑒。

海洋動能;水下探測航行器;能量收集;永磁發電機;擺式能量收集裝置

水下探測航行器是一種能夠自主航行至預定地點,然后錨系于海底,進行數據采集、環境監測等任務的無人任務控制器。水下探測航行器上的探測傳感電子設備的常規能源供給為電池,然而水下探測航行器受體積和質量的限制,所攜帶的電池能源有限,因此水下探測航行器的探測任務時間一般不長。

為了延長水下探測航行器的服務年限,需對水下探測航行器進行能源補給。海洋中蘊藏有儲量巨大的可再生能源[1],而水下探測航行器錨系于海底時常受到海流、潮汐等影響,時刻處于晃動狀態。這種由于海洋環境引起的晃動能量簡稱為海洋動能。為了開發海洋動能,國內外相關研究機構與學者已對海洋動能發電技術展開了相關研究。Mccabe等研究了該團隊于20世紀90年代發明的內滑塊式晃動發電系統Frog與PS Frog[2];Clement等設計了SEAREV海洋晃動發電裝置,采用液壓輸出系統,其功率可達500～1 000 W[3-4];Bracco等利用陀螺效應發明了慣性波能發電裝置ISWEC[5-6];Mitcheson等研究了應用于水面無人航行器的擺式慣性波能收集裝置[7]。在國內,張穎等研究了AUV用慣性擺式波能系統[8],但只進行了理論研究;王曉明等針對海洋機器人能源補給發明制作了二自由度波能轉換裝置[9];鄧啟平等研究了水平擺式波能發電裝置[10];丁文俊等研究了應用于水下探測航行器的海洋動能發電裝置[11]。

然而,大部分研究集中在對海洋動能發電裝置本身的發電性能優化及提高上,而對于安裝位置對海洋動能發電裝置發電性能的影響少有研究。為了探究海洋動能發電裝置在水下探測航行器中的安裝位置對發電性能的影響,本文開展了相關研究。

1 海洋動能發電裝置設計

所設計的水下探測航行器海洋動能發電裝置主要由晃動擺和永磁發電機組成,如圖1所示。該裝置只包括能量收集和能量轉化環節,去掉了一般發電裝置的中間能量傳遞環節[12]。本文設計的海洋動能發電裝置中,晃動擺直接與稀土永磁發電機轉子相連,并將稀土永磁發電機直接與水下探測航行器固連。當水下探測航行器受到外界擾動時,晃動擺在外界擾動激勵下,直接帶動發電機轉子運動[13-14]。

海洋動能發電裝置的主要參數如表1所示,主要通過晃動擺的慣性作用收集海洋動能。水下探測航行器在海洋動能的擾動下產生晃動,晃動擺由于慣性作用產生與水下探測航行器的相對運動,從而帶動永磁發電機轉子旋轉,切割永磁發電機的線圈繞組,使之產生感應電動勢[13]。

圖1 海洋動能發電裝置結構圖[13]

發電機參數數值每相串聯匝數N1558線圈繞組分布系數kdp0.9646極對數p10槽數123相數3晃動擺轉動慣量J1/kg·m20.334發電機轉子轉動慣量J2/kg·m20.081晃動擺擺長l/mm117.3晃動擺質量mp/kg15.12

2 海洋動能發電裝置的數學模型

假設入射擾動為二維擾動,根據海洋動能發電裝置的結構,對整個系統的受力情況進行二維簡化后的力學模型如圖2所示,數學模型坐標系如圖3所示,系統中晃動擺被簡化為一個質點,同時水下探測航行器在海洋環境擾動下的誘導運動被當作系統的參數激勵。根據拉格朗日方程,推導得到晃動擺的動力學非線性控制方程[12-14]為

(1)

線性系統固有圓頻率為

ωn=(mpgl/(Ip+mpl2))1/2

(2)

則線性系統固有頻率為

fn=ωn/2π=(mpgl/(Ip+mpl2))1/2/2π=

0.84Hz

式中:x、z、θ分別為水下探測航行器的橫向位移、垂向位移及角位移;γ為晃動擺與水下探測航行器的相對角位移,海洋動能發電裝置的發電性能主要取決于γ[12-14];Ip為晃動擺和發電機轉子的轉動慣量,Ip=J1+J2;mp為晃動擺的質量;d為晃動擺的擺動旋轉中心點到水下探測航行器質心的距離。為了分析d對發電性能的影響,本文忽略機械阻尼及發電機內阻對能量收集的影響,并假設電磁阻矩為一線性黏性阻尼器[12-14]。

一個激勵周期內的發電系統的平均發電功率可表示為

(3)

圖2 海洋動能發電裝置示意簡圖

圖3 數學模型坐標系

3 安裝位置對發電性能影響分析

從式(1)分析可知,安裝距離d只有在橫搖激勵下會對發電性能產生影響,因此本文重點分析在橫搖激勵下的發電性能,同時忽略橫蕩及垂蕩對發電系統的影響,并假設橫搖的激勵方程為

θ=Θsin(2πft)

(4)

式中:Θ為橫搖激勵幅度;f為橫搖激勵頻率。

為了探索安裝位置對發電性能直接影響的機理,假設橫搖激勵為小幅擺動時,線性簡化系統在一個激勵周期內發電系統的平均發電功率可表示為

(f/fn)2)2+(2ζf/fn)2

(5)

ζ=C/2(Ip+mpl2)ωn

(6)

由式(5)可知,安裝距離d對發電功率P有直接影響,即安裝位置對系統的發電性能有直接影響,而在不同的阻尼系數C和橫搖激勵頻率f下,所呈現的影響又有所不同。

因此,為了進一步研究安裝位置對系統發電性能的影響規律,本文通過MATLAB中的四階龍格庫塔方法數值求解非線性式(1)、(3),分別分析不同的阻尼系數C和橫搖激勵頻率f下,安裝位置對發電性能的影響。

3.1 數值計算方法驗證

為了驗證建立的數學模型及數值求解結果的準確性,本文采用多體動力學軟件對本文研究的海洋動能發電裝置模型在一定的參數下進行動力學仿真,并將結果與MATLAB中的四階龍格庫塔方法數值求解結果進行對比,結果如圖4所示。

圖4 LMS與MATLAB的結果對比

假設海洋動能發電裝置在水下探測航行器中的安裝距離d為0.2 m,激勵頻率f為1.1 Hz,激勵幅度Θ為6°,阻尼系數為2 N·m·s/rad。

從圖4中分析可知,在相同模型參數及相同的激勵參數下,MATLAB中的四階龍格庫塔方法數值求解與多體動力學軟件LMS Virtual.Lab Motion求解得到的晃動擺擺動響應結果相同,從而可知建立的數學模型正確。

3.2 不同阻尼系數下的影響

為了研究在不同阻尼系數下不同安裝位置對發電性能的影響,本文進行了在激勵幅度Θ為6°時的相關數值模擬,數值仿真結果如圖5所示。

從圖5中分析可知,在不同的安裝位置時,不同阻尼系數對發電性能的影響大致趨勢相同,但是一些細節地方對發電性能的影響卻大不相同。

(a)d=0 m

(b)d=0.5 m

(c)d=1 m

(d)d=-0.5 m

(e)d=-1 m圖5 不同安裝位置在不同阻尼系數下對發電性能的影響

在安裝距離d>0(即安裝位置位于水下探測航行器質心的上方)時,從圖5中分析可知,在阻尼系數0～2 N·m·s/rad的范圍內,低頻0.8～1 Hz下收集的能量高于高頻1.1～1.3 Hz下收集的能量。

當安裝距離d<0(即安裝位置位于建立的水下探測航行器質心的下方)時,從圖5中分析可知,基本上是頻率越高,收集的能量越多。同時,在水下探測航行器質心上下對稱的安裝位置,安裝位置d<0時,收集的能量比安裝距離d>0時高。

3.3 不同頻率下的影響

為了研究不同頻率、不同安裝位置對發電性能的影響,本文進行了在激勵幅度Θ為6°時的相關數值模擬,數值仿真結果如圖6所示。

(a)d=0 m

(b)d=0.5 m

(c)d=1 m

(d)d=-0.5 m

(e)d=-1 m圖6 不同安裝位置在不同頻率下對發電性能的影響

從圖6中分析可知,在安裝距離d為0時,在固有頻率激勵處,收集的能量為0。因此,當安裝距離d為0時,為了提高能量收集,應當避開發電裝置固有頻率點。

在安裝距離d不為0時,當激勵頻率(0～0.6 Hz)小于固有頻率時,收集的能量很小,基本為0;當激勵頻率(0.7～1 Hz)靠近固有頻率時,收集的能量有較大的增加,同時在固有頻率附近呈現振動系統所有的特性;而當激勵頻率大于固有頻率1.2 Hz后,收集的能量隨激勵頻率增大而增加。根據振動發電相關文獻記載,一般振動能量收集系統運行在激勵頻率等于固有頻率下,系統達到共振狀態,收集能量達到最大值。本文研究發現,當海洋動能發電裝置的安裝位置與建立的坐標系原點較遠時,激勵頻率高于固有頻率時,同樣能收集較多的能量。

3.4 功率與安裝位置的關系

為了研究能量收集功率與安裝位置的關系,本文進行了在激勵幅度Θ為6°時的相關數值模擬,數值仿真結果如圖7所示。

從圖7中分析可知:在不同頻率時,都有一功率為0的安裝位置,該安裝位置的安裝距離d>0;這一安裝距離與阻尼系數無關,而與頻率有關,頻率越大,對應的零功率安裝距離d越大。

(a)f=0.7 Hz

(b)f=0.9 Hz

(c)f=1.1 Hz

(d)f=1.3 Hz圖7 不同頻率下功率與安裝位置的關系

功率與安裝位置的關系曲線在不同頻率、不同阻尼系數時,都是拋物線狀,說明收集的能量與安裝距離d呈二次方關系,且拋物線定點即零功率安裝距離d在0附近,說明發電裝置安裝位置應盡量遠離橫搖的旋轉中心。

4 結 論

本文主要研究了海洋動能發電裝置安裝位置對發電性能的影響,研究發現安裝位置對海洋動能發電裝置的發電性能有較大的影響,研究結果如下。

(1)在不同阻尼系數下,不同的安裝位置對發電性能的影響大致趨勢相同;當安裝距離d>0時,在阻尼系數0～2 N·m·s/rad的范圍內,低頻0.8～1 Hz下收集的能量高于高頻1.1～1.3 Hz下收集的能量;當安裝距離d<0時,基本上是頻率越高,收集的能量越多。

(2)在不同頻率下,當安裝距離d為0時,為了提高能量收集,應當避開發電裝置固有頻率點;當安裝位置d不為0時,海洋動能發電裝置在固有頻率附近表現出振動系統所有的特性;當激勵頻率大于固有頻率后,收集的能量隨激勵頻率增大而增加。

(3)收集的功率與安裝距離d為二次方關系,在不同頻率時,都有一功率為0的安裝距離d,該安裝位置在0附近且大于0,說明發電裝置安裝位置應盡量遠離橫搖的旋轉中心,且這一安裝距離d與阻尼系數無關,而與頻率有關,頻率越大,該0功率安裝距離d越大。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

Influence of Installation Position of Ocean Kinetic Energy Converter on the Power Generating Performance in Underwater Detection Vehicles

DING Wenjun1,2,SONG Baowei1,2,MAO Zhaoyong1,2,WANG Keyan1

(1. School of Marine Science and technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. Institute of Underwater Vehicle, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

At different damping coefficients and rolling motion excitation frequencies, the influence of the installation position of ocean kinetic energy converter on the power generating performance in underwater detection vehicles is studied using the Runge-Kuta method according to the nonlinear coupled equation of the hull and rocking pendulum established by Lagrange equation. The numerical simulation results show that when the installation distance (from the rotating center of the rocking pendulum to the barycenter of the vehicle) of the ocean kinetic energy converter is zero, under the excitation of rolling motion, the harvested energy is zero; when the installation distance is not zero, energy harvesting system shows the characteristics of a vibration system near the natural frequencies. It is also shown that the harvested power has a square relationship with the installation distance. And at each different frequency, there is a zero power point near the zero installation distance, which shows that the installation distance of the ocean kinetic energy converter should not be equal to zero. The zero-power installation distance is related to the excitation frequency and has nothing to do with the damping coefficient. The research results can provide a reference for the installation and deployment of ocean kinetic energy converters.

ocean kinetic energy; underwater detection vehicles; energy harvest; permanent magnet generator; pendulum energy harvester

2015-05-16。 作者簡介:丁文俊(1989—),男,博士生;宋保維(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51179159);國家“863計劃”資助項目(2011AA8094401);西北工業大學博士論文創新基金資助項目(CX201405)。

10.7652/xjtuxb201601017

TK71;TJ61

A

0253-987X(2016)01-0108-07