海洋浮標波浪能供電裝置設計研究

【摘要】：波浪能是海洋能源中蘊藏最為豐富的能源之一，也是海洋能利用研究中近期研究最多的海洋能源，其開發(fā)利用技術已趨于成熟，正在進入或接近于商業(yè)化發(fā)展階段。本文針對海洋波浪能發(fā)電技術的基本原理、能量轉換系統(tǒng)等作了全面綜述，介紹了國內外海洋波能發(fā)電技術的進展和主要波能裝置，而其中一些計劃的成功實施，有力地推動了波能轉換的技術進步及其在世界范圍內的競爭力。同時也結合中國海洋的實際情況分析了波浪能研究和利用的發(fā)展目標和方向，指出我國波浪能利用對于沿海地區(qū)海洋資源的開發(fā)和遠離大陸海島的發(fā)展有著十分重要的意義． 本文主要設計研究了一種新型的軸流葉輪式波浪能發(fā)電裝置，用于海洋波浪能的發(fā)電。其結構包括中空浮子，以及與浮子相連的套筒，套筒中設有兩組發(fā)電結構組件，每組結構組件一端伸入中空浮子，通過齒輪機構與發(fā)電機相連，另一端連接雙向葉輪。裝置中葉輪、轉軸、齒輪、發(fā)電機順序連接，利用葉輪將波浪能的重力勢能轉化為葉輪的動能，葉輪通過旋轉帶動內部齒輪轉動，齒輪將此機械能傳遞至發(fā)電機的齒輪上，實現(xiàn)機械能轉化成電能。套筒與浮子間裝有開放式保持架，釋放多余的空氣壓力和海水壓力。本裝置具有發(fā)電效率高，成本低，結構緊湊，耐沖擊等優(yōu)點。 在所設計的軸流葉輪式波浪能發(fā)電裝置中，作為波浪能的主要吸收裝置——葉輪，其對波浪能的吸收轉化率，是影響本波浪能發(fā)電裝置發(fā)電功率的重要因素。根據本設計的波浪能發(fā)電裝置所供電的設備——ARGO浮標的工作運動情況，即上浮、下潛、海面漂浮及海底靜止四個狀態(tài)下所受的壓力情況，利用流體力學分析軟件Fluent,根據ARGO浮標四種運動狀態(tài)下的受力情況得到波浪能發(fā)電裝置的葉輪在工作中的受力范圍為（400,640058）（單位N），分別選取葉輪在浮標上浮或下潛過程中由相對運動產生的入口壓力P1=5MPa，在隨波浪運動時產生的平均入口壓力為P2=7.5MPa，以及在波能最大的極限情況下即入口壓力為P3=20.3MPa進行模擬計算，得到葉輪上轉化的波浪能功率與入口壓力的比率。通過與波浪能發(fā)電裝置模型的實際實驗，得到波浪能供電裝置中葉輪吸收波浪能的相關葉片性能之間的關系。通過Gambit建模及Fluent軟件的模擬計算，得到葉輪的壓力云圖與徑向力、力矩。選取的3組仿真結果直觀的反映了在葉輪內部流場中隨浮標運動葉片受力等特性參數，驗證了所設計供電裝置的可行性并為浮標用葉片式波能供電裝置葉輪的葉根設計強度提供了參考依據。 葉輪在正常工作中的受力及材料疲勞強度情況，是決定本設計裝置能否運行的重要因素。通過ANSYS有限元分析軟件，分別選取在正常工作中2m、5m、10m三中不同浪速下，通過模擬計算，得到葉輪所受的壓力、變形和安全系數等參數。通過計算得到，當波浪浪高到達10m時，即波浪進入套筒的速度達到14.14m/s時，葉輪的最大應力為653.7MPa，安全系數為1.28。所以本文所設計的葉輪式波浪能發(fā)電裝置在我國沿海地帶能夠安全的運行。 本設計的海洋波浪能發(fā)電機構是一個由多級變速傳動的齒輪系統(tǒng)組成的，作為機械傳動中重要的一種傳動形式，齒輪傳動具有形式多，應用廣的特點。波浪能發(fā)電機構靠海水波浪的上下勢能轉換為發(fā)電機的電能，運轉速度不高，故齒輪選七級精度（GB10095-88），材料的選擇上，大、小齒輪的材料選擇分別為45鋼（調質）與40Cr（調質），硬度分別對應為240HBS與280HBS，硬度差值為40HBS。從齒面接觸強度和齒根彎曲強度兩方面計算齒輪的模數，模數m=1.5，最后用ADAMS計算了齒輪軸的受力大小，便于后期進一步的選材和軸承壽命計算等。 21世紀是海洋世紀，人類向大海索取資源已成為必然趨勢。波浪能作為一種重要的海洋能，研究波浪能發(fā)電裝置是一種有效緩解能源壓力的方式。提高波浪能發(fā)電裝置的效率以及可靠性，最大幅度地降低它的工程造價，是未來發(fā)展波浪能的整體趨勢。目前，已經有部分能夠降低波浪能發(fā)電成本的技術，如果能夠進行大規(guī)模的生產與應用，波浪能發(fā)電裝置的成本會大幅度降低。合理高效地利用波浪能資源，對海洋的開發(fā)以及國家海防建設都有非常重大的意義。 【關鍵詞】：浮標 波浪能 葉輪 齒輪 有限元 動力學分析
【學位授予單位】：上海海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P715.2;P743.2
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-20
• 1.1 本文的研究背景15-16
• 1.2 國內外的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 本文的研究內容18-19
• 1.4 本研究的實用價值及理論意義價值19-20
• 第二章 海洋浮標運動分析20-27
• 2.1 ARGO 浮標的簡介及運動形式介紹20-22
• 2.1.1 ARGO 浮標的簡介20-21
• 2.1.2 ARGO 浮標的工作流程21-22
• 2.2 ARGO 浮標在工作運動中的受力計算22-25
• 2.2.1 浮標上浮運動的基本方程22-23
• 2.2.2 浮標上浮過程中浮力保持不變23-24
• 2.2.3 在上浮過程中浮標所受浮力逐漸增大24-25
• 2.3 浮標運動葉輪受力分析25-27
• 2.3.1 浮標漂浮與停滯（海底 2000 米）狀態(tài)26
• 2.3.2 下潛與上浮狀態(tài)26-27
• 第三章 軸流葉輪式海洋波浪能發(fā)電裝置的設計27-31
• 3.1 波浪能的產生、特點及吸收裝置的選用27-28
• 3.1.1 波浪能的產生及特點27-28
• 3.1.2 適用我國的波浪能發(fā)電裝置的選用28
• 3.2 軸流葉輪式波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電原理及結構介紹28-31
• 3.2.1 軸流葉輪式波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電原理28
• 3.2.2 軸流葉輪式波浪能發(fā)電裝置的設計思路28-29
• 3.2.3 軸流葉輪式波浪能發(fā)電裝置的結構介紹29-31
• 第四章 波浪能吸收裝置主要部件—葉輪的流場動力學分析31-38
• 4.1 根據浮標運動分析確定葉輪受力范圍31
• 4.2 葉輪運動受力分析31-33
• 4.3 葉輪式波浪能發(fā)電裝置模擬實驗33-35
• 4.4 Fluent 軟件數值模擬分析35-38
• 4.4.1 幾何模型建立與網格劃分35
• 4.4.2 設置邊界條件35-36
• 4.4.3 Fluent 計算結果分析36-38
• 第五章 葉輪的有限元分析38-44
• 5.1 波浪在發(fā)電裝置中運動計算38-40
• 5.1.1 波浪在自由狀態(tài)下垂直初速度38-39
• 5.1.2 波浪在套筒內的運動情況39-40
• 5.2 葉輪強度校核40-44
• 5.2.1 波浪能發(fā)電裝置模型簡化40-41
• 5.2.2 葉輪強度仿真分析過程41-44
• 第六章 波浪能發(fā)電裝置中傳動裝置—齒輪的運動仿真44-61
• 6.1 波浪能發(fā)電機構齒輪簡化44-45
• 6.2 計算齒輪的參數45-55
• 6.3 齒輪參數設定55-56
• 6.4 齒輪運動仿真56-61
• 第七章 結論及展望61-64
• 7.1 本文的主要工作61-62
• 7.2 后續(xù)研究及展望62-64
• 參考文獻64-68
• 攻讀學位期間獲得的專利與發(fā)表的學術論文68-69
• 致謝69

您可以在本站搜索以下學術論文文獻來了解更多相關內容

ENSO動力學與預測    張人禾,周廣慶,巢紀平

當今世界海洋發(fā)電發(fā)展趨勢    徐柏林,馬勇,金英蘭

淺議當今世界海洋發(fā)電的發(fā)展趨勢    杜文朋,包鳳英,戴哈莉

我國海洋能產業(yè)狀況    游亞戈;

波力發(fā)電方案的工程性探討    陳加菁，王龍文

我國海洋能開發(fā)利用情況分析    王忠;王傳崑;

我國的海洋剖面探測浮標—COPEX    余立中

我國Argo浮標的設計與研究    余立中,張少永,商紅梅

全球Argo實時海洋觀測網建設及應用進展    朱伯康;許建平;

振蕩浮子式波浪能轉換裝置模型試驗    勾艷芬;葉家瑋;李峰;王冬姣;

東北冬季氣溫異常與全球前期海溫的關系及可預測性分析    孫鳳華;袁天翊;

The“Spring Predictability Barrier” Phenomenon of ENSO Predictions Generated with the FGOALS-g Model    

能源安全觀助解我國《能源法》之結    林安薇;

國外支持節(jié)能環(huán)保的財稅政策及借鑒    李果仁;李菡;

剖面探測浮標上浮運動研究    王世明;吳愛平;馬利娜;

國內外關于海洋新興產業(yè)的理論研究:回顧與述評    丁娟;葛雪倩;

海洋溫差發(fā)電的研究現(xiàn)狀與展望    封光;鐘爽;

直接甲酸燃料電池的優(yōu)越性    陸天虹;唐亞文;張玲玲;高穎;

各種質子交換膜燃料電池優(yōu)點和產業(yè)化的問題    趙傳峰;李煥芝;唐亞文;陸天虹;

中國潮汐能技術專利分析及對策建議    趙霞;譚思明;姜靜;

離岸海洋觀測裝備波浪能供電系統(tǒng)遠程監(jiān)測診斷技術    王世明;張福曦;

波浪能發(fā)電的開發(fā)與展望    任建莉;徐璋;鐘英杰;張雪梅;

自適應神經模糊推理與小波分解重構相結合的Nio-3區(qū)海溫預測    余丹丹;張韌;肖天貴;張軍;王舉;李研;

潮流電站載體結構優(yōu)化    劉文白;徐伯海;

海洋溫差能的開發(fā)與利用研究    王豪巍;黃建蝦;閆肅;

浙江省潮汐資源開發(fā)利用研究    陳國海;

加強潮流能發(fā)電的研究與開發(fā)    鮑獻文;王勇智;

海洋波浪壓電發(fā)電技術的進展    張永良;林政;

液態(tài)金屬磁流體波浪能直接發(fā)電試驗研究    李建;彭燕;趙凌志;劉保林;沙次文;許玉玉;李然;李雪臨;

一種振蕩浮子波能發(fā)電裝置的研究    史宏達;高人杰;鄒華志;

日本海海平面年際變化及其對ENSO的響應    王天順

產業(yè)集群與循環(huán)經濟的關系研究    張偉

高壓天然氣管網動態(tài)模擬與壅塞流動特性研究    劉慶堂

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關鍵技術研究    張大海

熱解、氣化過程中燃料-N的形態(tài)轉化及遷移規(guī)律研究    王宗華

碟型越浪式波能發(fā)電裝置的系統(tǒng)設計及優(yōu)化研究    劉婭君

海洋微結構剪切流傳感器及其載體設計方法與實驗研究    谷磊

混合驅動水下滑翔器動力學建模及運動控制研究    孫秀軍

單原邊繞組隔離型多輸入變換器的研究    王勤

我國能源供求預測研究    鄧志茹

浮子式波浪發(fā)電裝置設計及其功率特性研究    孟揚

閉式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)性能研究    鐘爽

我國海洋新興產業(yè)國際競爭力研究    扈丹平

海洋潮流能發(fā)電控制系統(tǒng)研究    王剛

柔性葉片水輪機獲能區(qū)的研究及應用    尹克金

不規(guī)則波作用下沉箱防波堤兼作岸式波力發(fā)電裝置性能研究    楊國華

西部地區(qū)可再生能源的立法保障研究    楊艷艷

居住建筑室內設計中的建筑節(jié)能策略研究    丁翠

碳載Au基低溫燃料電池陽極催化劑電化學性能研究    李紅彬

可再生能源發(fā)展對電網管理體制的影響研究    陳立忠

我國海洋能資源開發(fā)現(xiàn)狀和戰(zhàn)略目標及對策    王傳昆

Interaction between Anomalous Winter Monsoon in East Asia and EI Nino Events    李崇銀

Unstable Tropical Air-Sea Interaction Waves and Their Physical Mechanisms    張人禾 ,巢紀平

熱帶太平洋經向風應力異常與ElNio的發(fā)生──(Ⅰ)資料診斷(英文)    張人禾,趙剛,譚言科

基于海氣耦合環(huán)流模式的ENSO預測(英文)    周廣慶,曾慶存

熱帶太平洋經向風應力異常與El Nio的發(fā)生——(Ⅱ)動力學分析(英文)    張人禾 ,趙剛

厄爾尼諾和拉尼娜事件循環(huán)演變過程的資料分析研究(英文)    巢紀平 ,袁紹宇 ,巢清塵 ,田紀偉

厄爾尼諾的發(fā)生與赤道西太平洋暖池次表層海溫異常    李崇銀,穆明權

赤道印度洋—太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)的齒輪式耦合和ENSO事件 II.數值模擬    孟文,吳國雄

El Nio事件發(fā)生和消亡中熱帶太平洋緯向風應力的動力作用 Ⅱ.模式結果分析    嚴邦良,黃榮輝,張人禾

潮起潮落波浪能    鄧愛華;

波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電與制淡系統(tǒng)    

波動理論在海洋波浪能利用中的應用    余志;

來自海洋的饋贈——波浪能在瑞典的發(fā)展    芒努斯·拉姆;

海洋波浪能利用的流體動力學討論會將于1985年7月在里斯本召開    高祥帆;

世界海洋波浪能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與前景    肖惠民;于波;蔡維由;

用于Wells透平性能分析的穩(wěn)態(tài)實驗臺研制    黃忠洲,余志,蔣念東

波浪能利用的發(fā)展與前景    劉美琴;鄭源;趙振宙;仲穎;

氣動式波浪發(fā)電透平的設計模型    王偉

海洋工程系科研進展情況    陳向榮

浮子參數對波浪能吸收效能的影響分析    倪歆韻;繆泉明;

振蕩浮子式磁流體波浪能發(fā)電系統(tǒng)電機特性分析    胡玉震;彭燕;趙淩志;

液態(tài)金屬磁流體波浪能直接發(fā)電試驗研究    李建;彭燕;趙凌志;劉保林;沙次文;許玉玉;李然;李雪臨;

基于慣性擺的波能獲取研究    張穎;李孟歆;侯亮;

海洋波浪能發(fā)電技術現(xiàn)狀與前景    游亞戈;盛松偉;吳必軍;

波浪作用下“點頭鴨”繞流的數值模擬    程友良;黨岳;

波浪能發(fā)電的開發(fā)與展望    任建莉;徐璋;鐘英杰;張雪梅;

低成本的一體化波力制氫技術研究    張珣;林斌炎;王傳崑;

軸流葉輪葉片角度對軸流式滅火風機氣動性能影響的試驗研究    褚雙磊;俞國勝;

波浪能技術發(fā)展歷程及應用現(xiàn)狀    李永國;陳成明;

世界先進的波浪能技術    國家海洋技術中心 羅續(xù)業(yè)

海洋能源    張海威

波浪能發(fā)電 商用前景展現(xiàn)曙光    高琳 唐晗

汕尾將建世界首座波浪能電站    

海洋——人類未來的能源庫    張秋旭

最新海水浴場水質監(jiān)測浮標研制成功    卜玉兵

我國海洋能源開發(fā)又有突破性進展    高 琳 　唐 晗

廣西沿海港口航標實現(xiàn)統(tǒng)一管理    記者 龍巍　通訊員 馮心愷

海洋監(jiān)測有了千里眼    實習生安新杰記者孫明河

潮流能：部分已實現(xiàn)并網輸電    國家海洋技術中心 羅續(xù)業(yè)

浮力擺式波浪能裝置的水動力性能研究    趙海濤

軸流式風力滅火機的軸流葉輪氣動性能研究    禇雙磊

基于浮標觀測資料的海氣通量計算方法研究    黃艷松

金屬流變成形的理論、實驗與應用研究    羅迎社

空調器風機內流中的旋渦流動及氣動噪聲預測    王嘉冰

分布式高頻地波雷達陣列誤差有源校準    劉斌

海洋浮標波浪能供電裝置設計研究    姜琳琳

海上漂浮式波浪能轉換系統(tǒng)測試及性能優(yōu)化研究    管士飛

面向航標的波浪能利用研究    袁偉

海上風能與波浪能綜合研究利用    裴麗

一種新型擺式波浪發(fā)電裝置的研制    鄧啟平

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置的設計及功率計算分析    王淑婧

成山頭海域波浪能和潮流能時空分布特征    李慶杰

基于波浪能的新型海洋浮標發(fā)電系統(tǒng)研究    鄔法磊

波動能量采集系統(tǒng)關鍵技術研究    安興

浮子式波浪能轉換裝置機理的頻域及時域研究    程正順