面向海洋浮标的波浪能收集器研究

论文摘要

海洋浮标是一种用于进行海洋监测、获取海洋数据的漂浮式自动化监测平台。它可为海上军事活动、海洋经济、海洋气候预报等提供全天候观测服务,对沿海国家的国计民生、国家安全具有重要意义。然而,海洋浮标长期自动化地进行数据采集、标示和发送,需要消耗大量能源,而携带高容量的电池组和降低能耗并不足以保证其续航能力,必要时还需从海洋环境中获取能量或从系统中回馈能量,才能延长浮标的工作寿命。海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能,具有绿色环保、分布广泛、储备丰富等优势,是海洋设备可获取的最为直接的能源。波浪能收集器将海洋波浪能转化为电能,使海洋设备的长时间无人值守工作成为了可能,是海洋设备供能的一个重要发展方向。针对海洋波浪的超低频、波形复杂随机等特征,本文设计了一种高效的复摆式波浪能收集器。其中装置以复摆作为俘能机构,通过非谐振摆的惯性作用,将超低频、不规则的波浪运动转化为复摆摆动。并利用齿轮增速机构,将复摆低速摆动转化为电磁发电模块转子高速旋转,实现装置高功率密度输出。另外,本文还设计了与装置输出特性相匹配的电源管理电路和电量监测电路。最后,完成了实验室内测试与海上浮标搭载测试,并对装置输出性能进行分析验证。本文主要研究内容包括以下几点:(1)波浪能收集器设计与优化针对超低频、波形复杂的海洋波浪特性,设计了一种复摆式电磁波浪能收集装置。该装置利用扇形复摆俘能机制和齿轮增速机构,将超低频波浪运动转化为电磁发电模块内的转子高速旋转,并基于法拉第电磁感应定律,使电磁线圈产生感应电动势。首先基于拉格朗日动力学方程,建立复摆动力学模型,在Simuhnk中进行复摆结构参数优化设计。根据仿真结果和实际浮标集成要求,最终设计双扇形复摆结构。扇形半径均为4cm,扇形弧度分别为120°和60°。同时在软件JMAG中进行了电磁发电模块结构的优化仿真,当定子磁铁弧度与厚度分别为140°和1.8mm、转子铁芯顶部厚度与铁芯根部宽度均为1.5mm时,该电磁发电模块可获得最高输出。(2)电源管理电路设计与测试电源管理模块性能的优劣直接影响到整个能量收集系统的能量收集和利用效率,本文设计一种基于聚合物锂电池的电源管理电路,可将能量收集器的不规则电压输出进行整流、滤波,并最终存储在锂电池或向外接负载供电。该电路分为整流电路、充电电路以及放电电路。充电电路以LTC4071芯片为核心,用于保护锂电池,避免发生过充与过放。放电电路以LTC1540与MAX4685芯片核心,可控制锂电池放电电压范围,延长放电时长。为了能长期进行浮标搭载测试并获取测试期间内的锂电池充电信息,设计一种基于MAX17043芯片的电量监测模块。在STM32F103芯片的控制下,电量监测模块实时读取锂电池充电电量,并存储至SD卡中。(3)波浪能收集器实验测试与分析搭建实验测试平台,先后对波浪能收集器进行实验室内测试与海上浮标搭载测试。在实验室测试中,模拟了不同海况下装置的输出特性,并验证了复摆动力学模型。当振幅为30cm,周期为1s,外接电阻为122ΩΩ时,装置的最大输出电压为8.6V,最大输出功率约为610mW,对应的输出功率密度约为0.97m W/cm3。在海上浮标搭载测试中,共计进行12小时的海上开路电压测试。在大波浪海况下,装置的输出电压峰峰值最大为15.9V,输出功率为259mW,对应的功率密度输出可达0.41mW/cm3。波浪能收集器实验测试验证了装置可收集超低频、不规则的波浪能,具备较高的输出性能,最终实现了海洋浮标与波浪能收集器的一体化集成,为提高海洋浮标续航能力奠定基础。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题背景及研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 俘能机制研究现状
•     1.2.2 机电耦合换能机制研究现状
•     1.2.3 研究现状总结分析
•   1.3 课题来源
•   1.4 课题主要研究内容和论文框架
• 第二章 复摆式波浪能收集器设计与优化
•   2.1 复摆俘能机制的动力学分析
•   2.2 复摆俘能机制的优化设计
•   2.3 电磁耦合换能机制的设计仿真
•   2.4 复摆式波浪能收集器的方案设计与加工
•   2.5 本章小结
• 第三章 电源管理电路设计与测试
•   3.1 电源管理电路设计
•     3.1.1 充电电路部分设计
•     3.1.2 放电电路部分设计
•   3.2 电源管理电路实验测试
•     3.2.1 锂电池充电保护测试
•     3.2.2 电路自动充放电测试
•   3.3 电量监测电路设计
•   3.4 本章小结
• 第四章 波浪能收集器实验测试与分析
•   4.1 实验室内测试
•     4.1.1 实验平台搭建
•     4.1.2 实验室内测试与分析
•   4.2 海上浮标搭载测试
•     4.2.1 海试概况
•     4.2.2 海上浮标搭载测试准备
•     4.2.3 海上浮标搭载测试与分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 本文总结
•   5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭奇雨

导师: 刘会聪

关键词: 电磁式波浪能收集器,扇形复摆式俘能机制,电源管理模块,海上浮标搭载测试

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,水利水电工程,新能源,电力工业

单位: 苏州大学

基金: 国家重大科研仪器研制项目,即“面向全球深海大洋的智能浮标”,项目编号41527901

分类号: P743.2;TM612

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001263

总页数: 73

文件大小: 7619K

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