2023年12月17日发(作者：剧元洲)
浮子式直线驱动远海海浪发电装置制造及性能检测实验
黄威龙;白欣;刘颖臻;甘霖;吴宏佳;曾育锋
【摘 要】方案设计了一种基于浮子式的直线驱动远海海浪发电装置,实验中利用直线往返电机、半圆柱体泡沫块、水波挡板等模拟远海的海浪.运用直线驱动发电装置进行发电,减少能量在传输过程中的损耗.通过两个感应线圈串联然后探究线圈距离与强磁铁数量之间的最佳匹配数值及对发电效果的影响,最终获得数据并制造出能够稳定发电的装置.同时,在数据监测方面还加入了LED灯、数字显示屏、数码管等进行精确的数据测量.最后,本装置利用多按键式人机互动的方法,使得装置可以作为教具在高中课堂中进行教学,也可以作为科技展示作品,为大众介绍海浪发电、能量转换的概念.
【期刊名称】《大学物理实验》
【年(卷),期】2019(032)004
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】直线驱动;海浪势能;海浪发电
【作 者】黄威龙;白欣;刘颖臻;甘霖;吴宏佳;曾育锋
【作者单位】华南师范大学 物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学
物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学 物理与电信工程学院,广东
广州 510006;华南师范大学 物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学
物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学 物理与电信工程学院,广东
广州 510006;物理国家级实验教学示范中心,广东 广州 510006
【正文语种】中 文
【中图分类】O4-34
化石能源的短缺，环境问题的日益突出，人们对于新能源的需求越来越迫切，海洋能作为一种新型的可再生的绿色能源[1]，如何高效利用海浪资源的问题日益受到各个国家的重视。随着波能转换技术日趋成熟，转换效率的逐步提高，海浪发电装置显现出它越来越大的商业价值和生态价值。本装置通过模拟波浪能资源较为丰富的远海海浪，同时发电装置相对简单，成本低，可选取的区域广，适用于远距离输电和岛屿供电。最后配套一系列的监测装置[2]，通过监测装置测量出利用海浪发电机[3]进行发电后对电容充电的时间及电压等参数，最后制造出能够较大利用海浪势能的发电装置，另外，该发电机[4]能够较大的减少与海浪的接触，能够延长电机的使用寿命。
1 实验原理
1.1 利用水波挡板及直线推杆电机[5]模拟远海海浪
根据查阅资料，本次实验中需要模拟的海浪为一种类似于驻波的海浪，因此在实验过程中，我们需要在实验的装置中模拟出类似于驻波的海浪。
在装置中(如图1)，根据测量水缸的长度，设计了半圆柱体泡沫块，该泡沫块设计的直径长与我们最后想要获得的类驻波的半个周期的长度相等。同时在水缸底部设置与水面等高的一块水波挡板[6]，目的是通过调节反射波的反射位置，使海水的入射波与反射波进行叠加，然后形成类似驻波的海浪。
图1 装置图
装置中，直线往返推杆电机作为造浪电机：其速度调制90转每分钟，工作电压为12 V，通过电机连动连杆上下移动，连杆移动时会带动泡沫板的上下移动，泡沫
板在上下移动的过程中就会带动缸内水进行起伏。在一定时间之后，缸内水会最终达到稳定的上下起伏，最终达到造浪的目的。
1.2 用法拉第电磁感应定律进行发电
根据法拉第电磁感应定律[7]，强磁铁在线圈中运动，闭合线圈中产生磁通量的变化，就会使线圈产生感应电动势。
在实验过程中发现，利用强磁铁穿过线圈时，只利用到强磁铁一端磁感应强度较强的区域穿过线圈，另外一端却没有利用到。因此，为了更好的利用条形强磁磁场的特点，将强磁铁两端同时穿过两个串联线圈，使其产生的感应电动势叠加，如图2所示。达到最佳的发电效果。
图2 发电位置的探究
实验中通过固定两个线圈的距离，利用强磁在线圈中运动，寻找一个位置使得强磁铁运动的过程中，通过线圈1时，磁通量增加产生感应电动势，同时线圈2的磁通量减少产生感应电动势，这两个电动势同一时间方向相同，通过串联电路进行叠加。在上述实验探究之后，我们设计了以下装置，通过泡沫浮标上下运功，改变线圈中的磁通量的大小，从而产生感应电动势。装置整体为柱形，整个装置分可为两个部分，内部浮动装置和外壳部分。
浮动装置底部用一个浮标支撑整个浮动装置，其中间有一连接装置，连着中部的硬杆，连接装置使得浮标可在硬杆下自由转动以适应海浪的浮动。硬杆的上端为一平台，其上面放置一块强磁铁。外壳呈中空的长方体，外壳上固定有两个线圈，两线圈间放置由中空的泡沫隔板，中间可让强磁铁上下浮动切割磁感线。图3为发电装置示意图。
图3 发电装置示意图
1.3 线圈距离、强磁个数[8]对发电电压的影响
两个线圈之间的距离会对发电的电压产生影响，如果线圈之间的距离过大，在满足本实验的改变两个线圈的磁通量变化的要求时，则需要较多的强磁个数，然而强磁[9]数量越多，则会增大自身的重力，根据能量守恒定律[10]，波浪能量一定，质量越大，获得速度越小，从而导致浮子上下的速率降低，速率降低则会导致磁通量变化率减小，从而使得感应电动势降低。
其中，EP为海浪起伏的势能，m磁是强磁的总质量，而线圈之间的距离过小，一方面满足不了本实验的要求，即当强磁铁运动时，线圈1的磁通量增加，而线圈2的磁通量减少才能使得两个线圈感应电动势方向相同，进行感应电动势的叠加，反而会导致两个线圈之间产生的感应电动势[11]方向相反，相互抵消以及会产生互感现象，导致感应电动势降低。另一方面，强磁铁的数量减少，会导致单位时间内通过线圈的磁通量减小，从而感应电动势降低。
因此，需要通过实验才可得知线圈的距离与强磁数量的最优匹配数值。
1.4 利用桥式整流滤波电路获得稳定直流电
电压源由两个线圈接入，因此初级整流滤波电路有两组，分别由桥式整流电路和滤波电容组成，桥式整流电路由4个1N5819二极管[12]组合而成，初级滤波电容容值为470 μF，如图4所示。
图4 整流滤波电路图
2 实验结果与讨论
在实验过程中，通过控制变量法，以及多次测量，最后我们发现当线圈距离为2.5
cm，强磁铁个数为22个时发电性能是最佳的。
在实验过程中我们最终设定7.2 V为上限电压，通过多次实验，我们获得以下数据，见表1。
表1 实验数据电容两端电压/V充电时间/sC=6600uF7.239.9C=6600uF7.236.6C=6600uF7.234.1C=6600uF7.238.8C=6600uF7.238.3C=14100uF7.285.4C=14100uF7.278.9C=14100uF7.285.8C=14100uF7.280.0C=14100uF7.275.7
由此获得输出总电能以及输出功率见表2。
表2 电能及输出功率充电时间/s输出总电能/J输出功率/W39.90.1710.00428836.60.1710.00467434.10.1710.00501738.80.1710.00440938.30.1710.00446785.40.3650.00428078.90.3650.00463285.80.3650.00426080.00.3650.00456875.70.3650.004288
其中
σ=ΔA=0.000 19
因此
P=(0.004542±0.00019) W
3 结 论
本文利用法拉第电磁感应定律进行海浪发电，通过强磁铁在线圈中运动时能够同时切割线圈1与线圈2，使其能够产生更高的发电电压，另外强磁铁进入线圈两次切割磁感线，能够更加高效的利用海浪的能量。在材料选择上，选择如塑料板等简单易得的材料，制造材料成本总体较低。整个装置结构简单，安装方便，操作简易。同时，作品通过LED灯，数码管，数字显示屏等电子设备，可让参观者直接自行读取其中数据，可视化程度高；作品结合了电磁感应定律、互感、驻波等知识，可用作高中物理教具，丰富课堂的教学形式；通过为华为手机等数码产品充电，作品
可作为科技作品为小学生科普海浪发电以及能量转换等科学知识。
参考文献：
【相关文献】
[1] 文旭,颜伟,黄淼,等.计及绿色能源出力不确定性的输电网线损率概率评估[J].电力系统保护与控制,2013,41(1)：169-175.
[2] 丁力,宋志平,徐萌萌,等.基于STM32的嵌入式测控系统设计[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(S1)：260-265.
[3] 张静,余海涛,陈琦,等.一种海浪发电用永磁单相直线电机的工作特性与实验分析[J].电工技术学报,2013,28(7)：110-116.
[4] 朱向阳,崔缨子.感应起电机起电原理的实验探究及其解释[J].物理实验,2009,29(8)：22-27.
[5] 周传喜,黄清世,李焕成.直动推杆式直线减速器的接触强度计算[J].机械,2001(6)：11-12+36.
[6] 赵宽,陈建军,曹鸿钧,等.随机参数双连杆柔性机械臂的可靠性分析[J].工程力学,2015,32(2)：214-220.
[7] 刘成道.通断电自感综合演示实验[J].物理实验,1990(1)：27-28.
[8] 徐建华.将整流电源改制成具有过流保护的稳压电源[J].物理实验,1990(3)：132-133.
[9] 申高文.用强磁铁做电磁学实验[J],物理教师,2009(11)
[10] 刘丙国，刘笃举，巩克燕，等.浅析大学物理中力学守恒 定律的应用 [J].科技信息，2011(3)：12-13.
[11] 严锁堂.一个验证反电动势的演示实验[J].物理实验,1994(5)：240.
[12] 邵建新.二极管伏安特性曲线测试电路的改进[J].物理实验,2002(3)：42-43.
2023年12月17日发(作者：剧元洲)
浮子式直线驱动远海海浪发电装置制造及性能检测实验
黄威龙;白欣;刘颖臻;甘霖;吴宏佳;曾育锋
【摘 要】方案设计了一种基于浮子式的直线驱动远海海浪发电装置,实验中利用直线往返电机、半圆柱体泡沫块、水波挡板等模拟远海的海浪.运用直线驱动发电装置进行发电,减少能量在传输过程中的损耗.通过两个感应线圈串联然后探究线圈距离与强磁铁数量之间的最佳匹配数值及对发电效果的影响,最终获得数据并制造出能够稳定发电的装置.同时,在数据监测方面还加入了LED灯、数字显示屏、数码管等进行精确的数据测量.最后,本装置利用多按键式人机互动的方法,使得装置可以作为教具在高中课堂中进行教学,也可以作为科技展示作品,为大众介绍海浪发电、能量转换的概念.
【期刊名称】《大学物理实验》
【年(卷),期】2019(032)004
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】直线驱动;海浪势能;海浪发电
【作 者】黄威龙;白欣;刘颖臻;甘霖;吴宏佳;曾育锋
【作者单位】华南师范大学 物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学
物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学 物理与电信工程学院,广东
广州 510006;华南师范大学 物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学
物理与电信工程学院,广东 广州 510006;华南师范大学 物理与电信工程学院,广东
广州 510006;物理国家级实验教学示范中心,广东 广州 510006
【正文语种】中 文
【中图分类】O4-34
化石能源的短缺，环境问题的日益突出，人们对于新能源的需求越来越迫切，海洋能作为一种新型的可再生的绿色能源[1]，如何高效利用海浪资源的问题日益受到各个国家的重视。随着波能转换技术日趋成熟，转换效率的逐步提高，海浪发电装置显现出它越来越大的商业价值和生态价值。本装置通过模拟波浪能资源较为丰富的远海海浪，同时发电装置相对简单，成本低，可选取的区域广，适用于远距离输电和岛屿供电。最后配套一系列的监测装置[2]，通过监测装置测量出利用海浪发电机[3]进行发电后对电容充电的时间及电压等参数，最后制造出能够较大利用海浪势能的发电装置，另外，该发电机[4]能够较大的减少与海浪的接触，能够延长电机的使用寿命。
1 实验原理
1.1 利用水波挡板及直线推杆电机[5]模拟远海海浪
根据查阅资料，本次实验中需要模拟的海浪为一种类似于驻波的海浪，因此在实验过程中，我们需要在实验的装置中模拟出类似于驻波的海浪。
在装置中(如图1)，根据测量水缸的长度，设计了半圆柱体泡沫块，该泡沫块设计的直径长与我们最后想要获得的类驻波的半个周期的长度相等。同时在水缸底部设置与水面等高的一块水波挡板[6]，目的是通过调节反射波的反射位置，使海水的入射波与反射波进行叠加，然后形成类似驻波的海浪。
图1 装置图
装置中，直线往返推杆电机作为造浪电机：其速度调制90转每分钟，工作电压为12 V，通过电机连动连杆上下移动，连杆移动时会带动泡沫板的上下移动，泡沫
板在上下移动的过程中就会带动缸内水进行起伏。在一定时间之后，缸内水会最终达到稳定的上下起伏，最终达到造浪的目的。
1.2 用法拉第电磁感应定律进行发电
根据法拉第电磁感应定律[7]，强磁铁在线圈中运动，闭合线圈中产生磁通量的变化，就会使线圈产生感应电动势。
在实验过程中发现，利用强磁铁穿过线圈时，只利用到强磁铁一端磁感应强度较强的区域穿过线圈，另外一端却没有利用到。因此，为了更好的利用条形强磁磁场的特点，将强磁铁两端同时穿过两个串联线圈，使其产生的感应电动势叠加，如图2所示。达到最佳的发电效果。
图2 发电位置的探究
实验中通过固定两个线圈的距离，利用强磁在线圈中运动，寻找一个位置使得强磁铁运动的过程中，通过线圈1时，磁通量增加产生感应电动势，同时线圈2的磁通量减少产生感应电动势，这两个电动势同一时间方向相同，通过串联电路进行叠加。在上述实验探究之后，我们设计了以下装置，通过泡沫浮标上下运功，改变线圈中的磁通量的大小，从而产生感应电动势。装置整体为柱形，整个装置分可为两个部分，内部浮动装置和外壳部分。
浮动装置底部用一个浮标支撑整个浮动装置，其中间有一连接装置，连着中部的硬杆，连接装置使得浮标可在硬杆下自由转动以适应海浪的浮动。硬杆的上端为一平台，其上面放置一块强磁铁。外壳呈中空的长方体，外壳上固定有两个线圈，两线圈间放置由中空的泡沫隔板，中间可让强磁铁上下浮动切割磁感线。图3为发电装置示意图。
图3 发电装置示意图
1.3 线圈距离、强磁个数[8]对发电电压的影响
两个线圈之间的距离会对发电的电压产生影响，如果线圈之间的距离过大，在满足本实验的改变两个线圈的磁通量变化的要求时，则需要较多的强磁个数，然而强磁[9]数量越多，则会增大自身的重力，根据能量守恒定律[10]，波浪能量一定，质量越大，获得速度越小，从而导致浮子上下的速率降低，速率降低则会导致磁通量变化率减小，从而使得感应电动势降低。
其中，EP为海浪起伏的势能，m磁是强磁的总质量，而线圈之间的距离过小，一方面满足不了本实验的要求，即当强磁铁运动时，线圈1的磁通量增加，而线圈2的磁通量减少才能使得两个线圈感应电动势方向相同，进行感应电动势的叠加，反而会导致两个线圈之间产生的感应电动势[11]方向相反，相互抵消以及会产生互感现象，导致感应电动势降低。另一方面，强磁铁的数量减少，会导致单位时间内通过线圈的磁通量减小，从而感应电动势降低。
因此，需要通过实验才可得知线圈的距离与强磁数量的最优匹配数值。
1.4 利用桥式整流滤波电路获得稳定直流电
电压源由两个线圈接入，因此初级整流滤波电路有两组，分别由桥式整流电路和滤波电容组成，桥式整流电路由4个1N5819二极管[12]组合而成，初级滤波电容容值为470 μF，如图4所示。
图4 整流滤波电路图
2 实验结果与讨论
在实验过程中，通过控制变量法，以及多次测量，最后我们发现当线圈距离为2.5
cm，强磁铁个数为22个时发电性能是最佳的。
在实验过程中我们最终设定7.2 V为上限电压，通过多次实验，我们获得以下数据，见表1。
表1 实验数据电容两端电压/V充电时间/sC=6600uF7.239.9C=6600uF7.236.6C=6600uF7.234.1C=6600uF7.238.8C=6600uF7.238.3C=14100uF7.285.4C=14100uF7.278.9C=14100uF7.285.8C=14100uF7.280.0C=14100uF7.275.7
由此获得输出总电能以及输出功率见表2。
表2 电能及输出功率充电时间/s输出总电能/J输出功率/W39.90.1710.00428836.60.1710.00467434.10.1710.00501738.80.1710.00440938.30.1710.00446785.40.3650.00428078.90.3650.00463285.80.3650.00426080.00.3650.00456875.70.3650.004288
其中
σ=ΔA=0.000 19
因此
P=(0.004542±0.00019) W
3 结 论
本文利用法拉第电磁感应定律进行海浪发电，通过强磁铁在线圈中运动时能够同时切割线圈1与线圈2，使其能够产生更高的发电电压，另外强磁铁进入线圈两次切割磁感线，能够更加高效的利用海浪的能量。在材料选择上，选择如塑料板等简单易得的材料，制造材料成本总体较低。整个装置结构简单，安装方便，操作简易。同时，作品通过LED灯，数码管，数字显示屏等电子设备，可让参观者直接自行读取其中数据，可视化程度高；作品结合了电磁感应定律、互感、驻波等知识，可用作高中物理教具，丰富课堂的教学形式；通过为华为手机等数码产品充电，作品
可作为科技作品为小学生科普海浪发电以及能量转换等科学知识。
参考文献：
【相关文献】
[1] 文旭,颜伟,黄淼,等.计及绿色能源出力不确定性的输电网线损率概率评估[J].电力系统保护与控制,2013,41(1)：169-175.
[2] 丁力,宋志平,徐萌萌,等.基于STM32的嵌入式测控系统设计[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(S1)：260-265.
[3] 张静,余海涛,陈琦,等.一种海浪发电用永磁单相直线电机的工作特性与实验分析[J].电工技术学报,2013,28(7)：110-116.
[4] 朱向阳,崔缨子.感应起电机起电原理的实验探究及其解释[J].物理实验,2009,29(8)：22-27.
[5] 周传喜,黄清世,李焕成.直动推杆式直线减速器的接触强度计算[J].机械,2001(6)：11-12+36.
[6] 赵宽,陈建军,曹鸿钧,等.随机参数双连杆柔性机械臂的可靠性分析[J].工程力学,2015,32(2)：214-220.
[7] 刘成道.通断电自感综合演示实验[J].物理实验,1990(1)：27-28.
[8] 徐建华.将整流电源改制成具有过流保护的稳压电源[J].物理实验,1990(3)：132-133.
[9] 申高文.用强磁铁做电磁学实验[J],物理教师,2009(11)
[10] 刘丙国，刘笃举，巩克燕，等.浅析大学物理中力学守恒 定律的应用 [J].科技信息，2011(3)：12-13.
[11] 严锁堂.一个验证反电动势的演示实验[J].物理实验,1994(5)：240.
[12] 邵建新.二极管伏安特性曲线测试电路的改进[J].物理实验,2002(3)：42-43.