單臂振蕩波能發(fā)電裝置結構設計

單臂振蕩波能發(fā)電裝置結構設計,振蕩,發(fā)電,裝置,結構設計 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 設計（論文）題目： 單臂振蕩波能發(fā)電裝置結構設計 ? 學生姓名： 專????業(yè)： 所在學院： 指導教師： 職????稱： ? ?年? ?月??日 ? 開題報告填寫要求 ? 1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見； 3．“文獻綜述”應按論文的框架成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊）； 4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 5、開題報告（文獻綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。 ? 畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告 1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫不少于1000字左右的文獻綜述： 1.1 海洋能的研究背景與意義 傳統(tǒng)的化石能源使現(xiàn)代機械工業(yè)得以大規(guī)模發(fā)展，使人類從農耕社會進入了繁榮的工業(yè)社會，它為整個工業(yè)文明提供了源源不斷的動力，是近代人類發(fā)展不可或缺的組成部分。截至目前化石能源仍是人類社會消耗的最主要能源，全球消耗的能源中化石能源占比高達80%以上，與此同時化石能源屬于耗竭性能源，是地球演化過程中數(shù)百萬年生成的產(chǎn)物，而它們現(xiàn)在的消耗速度遠遠超過生成速度。一方面，伴隨著科技發(fā)展，人類社會能源需求量也日益加大，按照這種速度，不久的將來化石能源將逐漸消耗殆盡，這是人類發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。另一方面，化石能源的使用總是伴隨著溫室氣體的排放和一些環(huán)境污染問題的產(chǎn)生，這些危害到整個人類的生存環(huán)境，不符合社會健康長久發(fā)展的基本要求。極積尋找傳統(tǒng)化石能源的替代品，開發(fā)利用新型清潔可再生能源、減少環(huán)境污染已成為世界各國的共識地球上海洋面積達到 3.61 億 km，占地球總表面積的 71%。廣闊的海洋是蘊藏著豐富的資源，這些資源既包括海洋礦物能源也包括以潮汐、波浪、溫差、鹽差、海流等形式出現(xiàn)的“海洋能”。海水受到風力和陽光等的作用，造成不同區(qū)域溫度、鹽度的不同，受月球等的引力作用產(chǎn)生區(qū)域海面的起伏，這些差異導致海洋中各種各樣的能量，海洋能量清潔并且可以再生。開發(fā)和利用這些清潔可再生能源對未來人類的發(fā)展具有重要的意義，也是人類維持自身生存發(fā)展、拓展生存空間的最切實可行的途徑之一。 21 世紀以來，眾多國家已針對各種海洋資源展開競爭，海洋科技強國已成為諸海洋國家的新目標。我國處在社會主義發(fā)展階段，科學技術相對滯后于發(fā)達國家。通過不斷的開拓進取，中國在各個科技領域實力已不斷加強，取得了長遠的進步，但改革開放后我國偏重于工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟增長、忽略了環(huán)境治理和保護。伴隨這種粗放型工業(yè)發(fā)展路線的是大量的自然資源浪費和包括霧霾、全球氣溫升高、地下水污染等嚴重的環(huán)境問題，針對這些亟需解決的問題，我國政府加大力度倡導節(jié)能減排和環(huán)境友好型社會的發(fā)展形態(tài)，并著重支持對新型清潔可再生能源的開發(fā)利用，確立了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路線。我國海域廣闊、海島眾多，擁有 490 萬平方公里的海域面積海域和 6000 余個海島，這些地區(qū)蘊含的豐富海洋能資源將是一筆寶貴的財富，合理的加以開發(fā)利用是解決我國能源及環(huán)境問題的有效途徑之一。海洋能利用技術一般是指將海洋能轉化為人們生產(chǎn)生活可以使用的電能的技術，通過各種裝置將海洋中以動能、位能、熱能、化學能等形式出現(xiàn)的能量轉化為電能。世界各國海洋能利用技術目前多處于發(fā)展的初始階段，所以海洋能屬于有待開發(fā)的新領域，據(jù)調查，這些巨量的海洋能資源中潮汐能利用技術已趨于成熟，需要進一步商業(yè)化、規(guī)?；?，波浪能利用技術還處于試驗階段，有待更深的研究探索，溫差、鹽差能等利用技術處于原完善階段。 針對目前的狀況，我國已開始對海洋能資源研究的區(qū)域性劃分和整體規(guī)劃，國家海洋局《海洋可再生能源發(fā)展綱要（2013-2016）》中提到我國將建立三處大型海洋能試驗基地布特點和能源需求的情況科學的進行分區(qū)和布局，各科研院校在我國沿海陸續(xù)研制開發(fā)安裝多種海洋能利用試驗裝置。這將進一步為促進海洋能資源開發(fā)、海洋能利用技術的領域研究打下基礎。 1.2 海洋波浪能的資源分布 海洋波浪能是一種動能形態(tài)的海洋能，它與其他海洋能相比具有分布廣泛、能流密度大的特點。據(jù)調查，全球波浪能的總儲量約為 25 億 kW，開發(fā)前景巨大。如圖 1.1 所示為全球波浪能能流密度區(qū)域分布圖，圖中可以看出世界上波浪能密度較大的區(qū)域集中于印度洋和太平洋的南部、大西洋北部，太平洋北部等地區(qū)。一般波浪能流密度達到 2kW/m時被認為可以加以利用，圖中可知全球大部分海洋區(qū)域的屬于可利用的范圍 1.3 國內外研究現(xiàn)狀與分析 點吸收式波浪能發(fā)電裝置也稱為振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，原理是通過海面漂浮的振蕩浮子來吸收海洋波浪的能量，并通過一定的轉換方式來將這些能量轉化為電能，點吸收式波浪能發(fā)電技術采集波浪能的效率較高，制造也相對容易，成本也較低，適合波浪能能流密度較低的國家，上一節(jié)中提及我國波浪能量密度普遍偏小，所以點吸收式波浪能發(fā)電裝置適合在我國進行研究和推廣 1.3.1 早期波浪能發(fā)電技術的發(fā)展 世界上各海洋國家一直都非常重視海洋波浪能領域的探索和研究，最早的波浪能領域發(fā)明專利可以上溯到 1799 年，1911 年，法國研制了世界上第一臺海洋波浪能發(fā)電裝置。在 20 世紀 60 年代，日本首次將波浪能利用裝置商用，研制了供航標電能的波浪能裝置。截至 2010 年波浪能利用技術的專利已超過 4000 多項，全球范圍內各海洋國家都在積極進行波浪能發(fā)電技術方面的研究，通過一系列的理論計算和數(shù)值模擬來進行前期的優(yōu)化設計，并已在實海況中運行多種波浪能發(fā)電裝置樣機，檢驗裝置的穩(wěn)定性和可靠性。歐洲沿海地區(qū)波浪能資源豐富，所以相關研究的發(fā)展較突出，其他區(qū)域也在進行該領域的積極探索。截至目前已有多種波浪能發(fā)電裝置投入到海洋中運行和實驗。我國于 20 世紀 70 年代開始研究波浪能發(fā)電技術，中國科學院廣州能研究所在“七五”期間建造了我國首座波浪能發(fā)電站。在“九五”期間國家海洋技術研究所在山東省大管島建成我國第一座擺式波浪發(fā)電站，它采用機械擺板擺動來收集混凝土澆筑的喇叭形收縮水道中波浪的能量，內部通過液壓轉換系統(tǒng)進行發(fā)電，設計發(fā)電功率達到 30kW。 1.3.2 波浪能發(fā)電裝置的分類方法 依據(jù)位于蘇格蘭奧克尼群島的歐洲海洋能源中心（世界上第一個海洋能源中心）的分類方法，將波浪能發(fā)電裝置一次轉換、中間轉換和二次轉換進行分類。一級轉換部分采集海洋波浪中具有的能量，通過如浮體、擺板等結構將波浪的動能轉換為、；中間轉換部分為輔助波浪能的繼續(xù)轉換，使采集的波浪能量便于發(fā)電機使用，二次轉換通過發(fā)電機將機械能轉化為電能為波浪能發(fā)電裝置的轉換流程圖，圖中可以看出，一級轉換部分在于通過振蕩浮子、擺板等不同機械結構的構件來采集波浪能量，需要研究海洋波浪的變化規(guī)律和特點來改進這些構件的物理參數(shù)達到波浪能量的有效轉換。中間轉換部分在于通過齒輪箱、液壓結構、慣性輪等構件將一級轉換部分已經(jīng)轉換的機械能轉化為連續(xù)的、穩(wěn)定的可供發(fā)電機使用的機械能量，二級轉換主要通過發(fā)電機將機械能轉換至電能，目前一般通過傳統(tǒng)的交流發(fā)電機或直流發(fā)電機來轉換上述能量，也有相關裝置應用了直線電機等新技術。波浪能發(fā)電技術的重點研究對象包括一次轉換部分、中間轉換部分的機械系統(tǒng)的結構優(yōu)化設計也包括二次轉換后發(fā)電機發(fā)電的并網(wǎng)與調配等問題。 按一次轉換中的采集波浪能的方式不同可以分為振蕩水柱式、筏式、越浪式、點吸收（振蕩浮子）式、擺式，鴨式等幾種形式，還包括應用了金屬磁流體技術的波浪能發(fā)電裝置。按裝置固定與否可以分為固定式和漂浮式，按裝置二次轉換部分的不同機械原理可以分為氣動式、液壓式和齒輪式。一種典型波浪能發(fā)電裝置的原理示意圖，裝置包括浮體、繩索、直線電機、錨系系統(tǒng)，當浮體附近波浪起伏運動時，振蕩浮子的上下運動帶動繩索另一端直線電機的動子運動產(chǎn)生電能，直線電機位于密封機箱內，防止海水的進入。 1.3.3 波浪能發(fā)電技術的理論研究 由于點吸收式波浪能發(fā)電技術具有轉換效率高、結構尺寸可變性大的優(yōu)勢，目前相關裝置目前理論研究和設計研發(fā)發(fā)展很快，研究主要集中于裝置的波浪水動力性能分析、置控制策略如相位控制、反饋調節(jié)控制等，通過改變設計參數(shù)優(yōu)化裝置發(fā)電效率、提高裝置安全性能，應用新型壓電材料的發(fā)電也已成為重要方向，本文主要涉及裝置的水動力學分析，所以側重介紹這方面的研究狀況。早在 1981 年，Thomas 等人就總結了波浪能裝置在波浪流場中的基本特征，對波浪中浮體間的相互影響進行了研究，F(xiàn)alcao 在 2002 年基于線性波浪假設，對點吸收式波浪能發(fā)電裝置進行了水動力分析，研究了裝置腔體的幾何形狀和入射波的角度對裝置整體效率的影響。Hals 在 2007 年通過建立一種頻域和時域混合模型來分析雙浮體波浪能發(fā)電裝置的水動力響應特性，研究相位控制法提高裝置能量轉換效率的問題，BaBarit 在 2012 年在研究分析中通過在無粘性流體動力學方程中添加二次阻尼項來考慮流體粘性阻尼對分析的影響。國內包括相關研究所和院校也進行了很多研究，劉應中等在 1987 年利用線性三位源匯法分析了在某一水深規(guī)則波浪下船駁組合體的運動響應問題，中國科學院廣州能源研究所盛松偉等于 2013 年進行了一種點吸收式波浪能裝置的水動力分析，對規(guī)則波浪中裝置浮體的外部阻尼力和激勵力進行了理論演算和裝置的優(yōu)化設計。中國海洋大學的馬哲于 2013年考慮振蕩浮子運動受負載影響而對振蕩浮子施加外界阻尼下的波浪水動力響應問題進行了分析，并針對不同物理特性的振蕩浮子的響應運動特性進行討論. 1.3.4 波浪能發(fā)電技術的試驗研究 近年來，點吸收式波浪能發(fā)電技術發(fā)展較快，有很多點吸收式波浪能發(fā)電裝置已進行模型樣機的水槽實驗，部分已投入實海況試驗和小規(guī)模運行。如圖 1.6 所示為英國 AWS Ocean Energy 公司研發(fā) Archimedes Wave Swing 裝置在 2010 年于蘇格蘭附近海域建立的試驗實物和原理示意圖，它的原理是通過圓柱形浮筒，浮筒由于波浪的作用而起伏運動時，浮筒內通過纜繩錨系直線電機的機芯部分并不隨浮筒一起運動，從而通過直線電機的機芯往復運動發(fā)電我國波浪能利用技術具有起步晚、發(fā)展速度快、開發(fā)規(guī)模較小的特點，相關圖 1.7 為中國科學院廣州能源研究所研制的點吸收式直線發(fā)電試驗裝置 2011 年底在廣州大萬山島海域運行時的情況及其原理示意圖，它的裝機容量是 10KW，波浪作用下，與水下阻尼板固定連接的直線電機動子和與振蕩浮子固定連接的直線電機定子產(chǎn)生相對運動而發(fā)電如圖 1.8 和圖 1.9 所示集美大學海洋能利用團隊研發(fā)的海洋能利用綜合試驗平臺，平臺通過位于主體兩側的振蕩浮子列和擺板采集波浪能，通過垂直軸風機采集海洋風能，當波浪朝某一方向傳遞時，平臺受水力作用會繞前端錨系浮筒轉動，使平臺主“船體面向來波方向，從而更好的吸收波浪能，當波浪傳遞至平臺主體時兩側振蕩浮子列因波浪不同區(qū)域水浮力作用的不同與主體產(chǎn)生相對運動，這些機械能被齒輪箱等結構轉化為旋轉機械能后供艙內發(fā)電機利用。 ? 參考文獻 [1] 游亞戈，李偉，劉偉民，等.海洋能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(14)：1-12. 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Renewable Energy，2012，41：44-63. 畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告 2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 本課題要研究或解決的問題： 國內外通過研究海洋波浪能的特點，已提出了多種不同的波浪能發(fā)電裝置，這些裝置機械結構和原理各異，轉換效率高低不一，大部分處于理論或者初步設計階段。由于海洋波浪能利用技術較新，針對相關裝置的優(yōu)化設計還比較少，進行相關研究工作對裝置的優(yōu)化設計具有指導意義。在點吸收式波浪能發(fā)電技術方面：以往多采用單振蕩浮子采集波浪能的方式，或者多個單臂振蕩波波浪能裝置在二次轉換以后再進行電力調配和并網(wǎng)，對多點陣列的點吸收式波浪能發(fā)電裝置的研究較少，相關振蕩浮子陣列中振蕩浮子間運動的相互影響也較少 第一章簡述了海洋能資源背景和國內外海洋波浪能發(fā)電技術的研究現(xiàn)狀，介紹了幾種典型的波浪能發(fā)電裝置的技術原理。并對與本文提及的單臂振蕩波波浪能發(fā)電裝置進行了調查和分析。 第二章介紹了單臂振蕩波波浪能發(fā)電裝置的機械結構和原理. 第三章對單臂振蕩波波浪能發(fā)電裝置進行機械結構設計計算 擬采用的研究手段（途徑）： 模型實驗臺主要由采能振蕩浮子、傳動連桿、單向軸承、傳動軸、 行星增速齒輪箱、扭矩傳感器、發(fā)電機、結構支架、機箱等組成，局部設計示意圖如圖1所示。 如圖1所示為模型實驗臺的機械原理示意圖，圖中球形振蕩浮子通過活動扣件與連桿相連，連桿另一端通過螺絲與單向軸承固定，超越離合器只能帶動轉軸做單向旋轉，兩轉軸間通過齒輪相互連接，其中的轉軸 1 通過聯(lián)軸器與扭矩余轉速傳感器連接，從而可以通過傳感器測出振蕩浮子在波浪中運動產(chǎn)生的轉矩。機箱內增速齒輪箱的輸出軸通過橡膠傳動輪與直流發(fā)電機轉軸相連，當左側振蕩浮子因為波浪的作用做向上擺動時通過連桿帶動單向軸承旋轉，單向軸承此時鎖死所以帶動轉軸 2 做順時針旋轉，當振蕩浮子因重力作用向下擺動時，單向軸承解鎖，并不帶動轉軸 2 旋轉，當右側振蕩浮子因為波浪作用向上擺動時通過連桿和鎖死對的單向軸承帶動轉軸 1 逆時針旋轉運動，與轉軸2 鍵連接的齒輪和安裝在轉軸 1 上的齒輪嚙合，從而帶動轉軸 1 逆時針旋轉，當右側振蕩浮子向下擺動時同理不會帶動轉軸旋轉，轉軸 1 將這種間斷的旋轉運動通過行星增速齒輪箱將旋轉機械能傳遞給發(fā)電機轉子發(fā)電。 ? 圖1 結構圖 圖2 原理圖 ? 驗造波水槽采用淡水，多點陣列式波浪能發(fā)電裝置位于海中，需要進行水密度修正。 根據(jù)幾何相似和上述相似準則可得主要物理量的比例尺。 由于裝置設計與模型間的幾何相似性可得確定幾何比尺，表 5.2 中因為連桿初始位置為傾斜狀態(tài)，通過原裝置設計的尺寸通過連桿在水平面的投影得到，所以這里沿用連桿的投影長度。振蕩浮子直徑、振蕩浮子吃水、連桿長度分別選用幾種尺寸，用于為驗設置對比組。由于模型實驗環(huán)境條件的限制，實驗臺將采用齒輪結構和連桿結構來構建中間轉換部分，主要分析一次轉換部分振蕩浮子的運動響應特性。驗臺的設計圖紙和實物，裝置通過支架位于造波水槽的上方，并為行星增速齒輪箱部分、電機部分搭鋼制作的套傳動比為 1值，便于實論文搭建了一個套殼內，1:35。中設計了波水槽中的箱，裝置的件不被水濺了在最大波的布置和安驗臺的初步設多點陣列式活動零件，濕造成銹蝕高下振蕩浮放。設計圖和具體式波浪能發(fā)電包括兩根蝕和故障，浮子帶動連體設計圖紙 電裝置水動力根轉軸和單向其中行星變連桿運動的角力分析與優(yōu)化向軸承都位變速齒輪箱角度最大值。 畢 業(yè) 設 計（論文） 開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 該生通過大量搜集和查閱文獻資料，對與 板坯結晶器內鋼液流場 / 連鑄中間 包控流裝置 相關的國內外前人工作較好地進行了綜合分析和歸納整理， 并針對某 一學者具體的研究工作進行了比較專門的、 全面的、 深入的和系統(tǒng)的描述與評價， 語言簡潔，層次清楚。達到了學?！拔墨I綜述要求” 。 該生通過大量搜集和查閱文獻資料，對與 板坯結晶器內鋼液流場 / 連鑄中間 包控流裝置 相關的國內外前人工作較好地進行了綜合分析和歸納整理， 并針對某 一學者具體的研究工作進行了比較專門的、 全面的、 深入的和系統(tǒng)的描述與評價， 語言簡潔，層次清楚。達到了學校“文獻綜述要求” 該生通過大量搜集和查閱文獻資料，對本課題相關的國內外前人工作較好地進行了綜合分析和歸納整理，并針對某一學者具體的研究工作進行了比較專門的、全面的、深入的和系統(tǒng)的描述與評價，語言簡潔，層次清楚。達到了學校“文獻綜述要求”。 ? ? ? ? 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 預期可完成 ? ? ? ? 3.是否同意開題：√ 同意 □ 不同意 ? ???????????????????????????????????? ??指導教師：?????????????? ???????????????????????????????????????? 2016 年?? 03 月?? 07 日 所在專業(yè)審查意見： 同意 ???????????????????????????????????????? 負責人：?????????????? ?????????????????????????????????????????? 2016 年??? 03 月?? 08 日