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YC610
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YC610-单臂振荡波能发电装置结构设计,YC610,振荡,发电,装置,结构设计
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毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告设计(论文)题目： 单臂振荡波能发电装置结构设 学生姓名： 学号： 专业： 所在学院： 指导教师： 职称： 年 月 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的框架成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。5.开题报告（文献综述）字体请按宋体、小四号书写，行间距1.5倍。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字的文献综述：1.1 海洋能的研究背景与意义 传统的化石能源使现代机械工业得以大规模发展，使人类从农耕社会进入了繁荣的工业社会，它为整个工业文明提供了源源不断的动力，是近代人类发展不可或缺的组成部分。截至目前化石能源仍是人类社会消耗的最主要能源，全球消耗的能源中化石能源占比高达80%以上，与此同时化石能源属于耗竭性能源，是地球演化过程中数百万年生成的产物，而它们现在的消耗速度远远超过生成速度。一方面，伴随着科技发展，人类社会能源需求量也日益加大，按照这种速度，不久的将来化石能源将逐渐消耗殆尽，这是人类发展面临的巨大挑战。另一方面，化石能源的使用总是伴随着温室气体的排放和一些环境污染问题的产生，这些危害到整个人类的生存环境，不符合社会健康长久发展的基本要求。极积寻找传统化石能源的替代品，开发利用新型清洁可再生能源、减少环境污染已成为世界各国的共识 地球上海洋面积达到 3.61 亿 km，占地球总表面积的 71%。广阔的海洋是蕴藏着丰富的资源，这些资源既包括海洋矿物能源也包括以潮汐、波浪、温差、盐差、海流等形式出现的“海洋能”。海水受到风力和阳光等的作用，造成不同区域温度、盐度的不同，受月球等的引力作用产生区域海面的起伏，这些差异导致海洋中各种各样的能量，海洋能量清洁并且可以再生。开发和利用这些清洁可再生能源对未来人类的发展具有重要的意义，也是人类维持自身生存发展、拓展生存空间的最切实可行的途径之一。 21 世纪以来，众多国家已针对各种海洋资源展开竞争，海洋科技强国已成为诸海洋国家的新目标。我国处在社会主义发展阶段，科学技术相对滞后于发达国家。通过不断的开拓进取，中国在各个科技领域实力已不断加强，取得了长远的进步，但改革开放后我国偏重于工业发展和经济增长、忽略了环境治理和保护。伴随这种粗放型工业发展路线的是大量的自然资源浪费和包括雾霾、全球气温升高、地下水污染等严重的环境问题，针对这些亟需解决的问题，我国政府加大力度倡导节能减排和环境友好型社会的发展形态，并着重支持对新型清洁可再生能源的开发利用，确立了可持续发展的战略路线。我国海域广阔、海岛众多，拥有 490 万平方公里的海域面积海域和 6000 余个海岛，这些地区蕴含的丰富海洋能资源将是一笔宝贵的财富，合理的加以开发利用是解决我国能源及环境问题的有效途径之一。 海洋能利用技术一般是指将海洋能转化为人们生产生活可以使用的电能的技术，通过各种装置将海洋中以动能、位能、热能、化学能等形式出现的能量转化为电能。世界各国海洋能利用技术目前多处于发展的初始阶段，所以海洋能属于有待开发的新领域，据调查，这些巨量的海洋能资源中潮汐能利用技术已趋于成熟，需要进一步商业化、规模化中，波浪能利用技术还处于试验阶段，有待更深的研究探索，温差、盐差能等利用技术处于原完善阶段。 针对目前的状况，我国已开始对海洋能资源研究的区域性划分和整体规划，国家海洋局海洋可再生能源发展纲要（2013-2016）中提到我国将建立三处大型海洋能试验基地布特点和能源需求的情况科学的进行分区和布局，各科研院校在我国沿海陆续研制开发安装多种海洋能利用试验装置。这将进一步为促进海洋能资源开发、海洋能利用技术的领域研究打下基础。 1.2 海洋波浪能的资源分布 海洋波浪能是一种动能形态的海洋能，它与其他海洋能相比具有分布广泛、能流密度大的特点。据调查，全球波浪能的总储量约为 25 亿 kW，开发前景巨大。如图 1.1 所示为全球波浪能能流密度区域分布图，图中可以看出世界上波浪能密度较大的区域集中于印度洋和太平洋的南部、大西洋北部，太平洋北部等地区。一般波浪能流密度达到 2kW/m时被认为可以加以利用，图中可知全球大部分海洋区域的属于可利用的范围1.3 国内外研究现状与分析 点吸收式波浪能发电装置也称为振荡浮子式波浪能发电装置，原理是通过海面漂浮的振荡浮子来吸收海洋波浪的能量，并通过一定的转换方式来将这些能量转化为电能，点吸收式波浪能发电技术采集波浪能的效率较高，制造也相对容易，成本也较低，适合波浪能能流密度较低的国家，上一节中提及我国波浪能量密度普遍偏小，所以点吸收式波浪能发电装置适合在我国进行研究和推广1.3.1 早期波浪能发电技术的发展 世界上各海洋国家一直都非常重视海洋波浪能领域的探索和研究，最早的波浪能领域发明专利可以上溯到 1799 年，1911 年，法国研制了世界上第一台海洋波浪能发电装置。在 20 世纪 60 年代，日本首次将波浪能利用装置商用，研制了供航标电能的波浪能装置。截至 2010 年波浪能利用技术的专利已超过 4000 多项，全球范围内各海洋国家都在积极进行波浪能发电技术方面的研究，通过一系列的理论计算和数值模拟来进行前期的优化设计，并已在实海况中运行多种波浪能发电装置样机，检验装置的稳定性和可靠性。欧洲沿海地区波浪能资源丰富，所以相关研究的发展较突出，其他区域也在进行该领域的积极探索。 截至目前已有多种波浪能发电装置投入到海洋中运行和实验。我国于 20 世纪 70 年代开始研究波浪能发电技术，中国科学院广州能研究所在“七五”期间建造了我国首座波浪能发电站。在“九五”期间国家海洋技术研究所在山东省大管岛建成我国第一座摆式波浪发电站，它采用机械摆板摆动来收集混凝土浇筑的喇叭形收缩水道中波浪的能量，内部通过液压转换系统进行发电，设计发电功率达到 30kW。 1.3.2 波浪能发电装置的分类方法 依据位于苏格兰奥克尼群岛的欧洲海洋能源中心（世界上第一个海洋能源中心）的分类方法，将波浪能发电装置一次转换、中间转换和二次转换进行分类。一级转换部分采集海洋波浪中具有的能量，通过如浮体、摆板等结构将波浪的动能转换为、；中间转换部分为辅助波浪能的继续转换，使采集的波浪能量便于发电机使用，二次转换通过发电机将机械能转化为电能为波浪能发电装置的转换流程图，图中可以看出，一级转换部分在于通过振荡浮子、摆板等不同机械结构的构件来采集波浪能量，需要研究海洋波浪的变化规律和特点来改进这些构件的物理参数达到波浪能量的有效转换。中间转换部分在于通过齿轮箱、液压结构、惯性轮等构件将一级转换部分已经转换的机械能转化为连续的、稳定的可供发电机使用的机械能量，二级转换主要通过发电机将机械能转换至电能，目前一般通过传统的交流发电机或直流发电机来转换上述能量，也有相关装置应用了直线电机等新技术。波浪能发电技术的重点研究对象包括一次转换部分、中间转换部分的机械系统的结构优化设计也包括二次转换后发电机发电的并网与调配等问题。 按一次转换中的采集波浪能的方式不同可以分为振荡水柱式、筏式、越浪式、点吸收（振荡浮子）式、摆式，鸭式等几种形式，还包括应用了金属磁流体技术的波浪能发电装置。按装置固定与否可以分为固定式和漂浮式，按装置二次转换部分的不同机械原理可以分为气动式、液压式和齿轮式。 一种典型波浪能发电装置的原理示意图，装置包括浮体、绳索、直线电机、锚系系统，当浮体附近波浪起伏运动时，振荡浮子的上下运动带动绳索另一端直线电机的动子运动产生电能，直线电机位于密封机箱内，防止海水的进入。 1.3.3 波浪能发电技术的理论研究 由于点吸收式波浪能发电技术具有转换效率高、结构尺寸可变性大的优势，目前相关装置目前理论研究和设计研发发展很快，研究主要集中于装置的波浪水动力性能分析、置控制策略如相位控制、反馈调节控制等，通过改变设计参数优化装置发电效率、提高装置安全性能，应用新型压电材料的发电也已成为重要方向，本文主要涉及装置的水动力学分析，所以侧重介绍这方面的研究状况。 早在 1981 年，Thomas 等人就总结了波浪能装置在波浪流场中的基本特征，对波浪中浮体间的相互影响进行了研究，Falcao 在 2002 年基于线性波浪假设，对点吸收式波浪能发电装置进行了水动力分析，研究了装置腔体的几何形状和入射波的角度对装置整体效率的影响。Hals 在 2007 年通过建立一种频域和时域混合模型来分析双浮体波浪能发电装置的水动力响应特性，研究相位控制法提高装置能量转换效率的问题，BaBarit 在 2012 年在研究分析中通过在无粘性流体动力学方程中添加二次阻尼项来考虑流体粘性阻尼对分析的影响。 国内包括相关研究所和院校也进行了很多研究，刘应中等在 1987 年利用线性三位源汇法分析了在某一水深规则波浪下船驳组合体的运动响应问题，中国科学院广州能源研究所盛松伟等于 2013 年进行了一种点吸收式波浪能装置的水动力分析，对规则波浪中装置浮体的外部阻尼力和激励力进行了理论演算和装置的优化设计。中国海洋大学的马哲于 2013年考虑振荡浮子运动受负载影响而对振荡浮子施加外界阻尼下的波浪水动力响应问题进行了分析，并针对不同物理特性的振荡浮子的响应运动特性进行讨论.1.3.4 波浪能发电技术的试验研究 近年来，点吸收式波浪能发电技术发展较快，有很多点吸收式波浪能发电装置已进行模型样机的水槽实验，部分已投入实海况试验和小规模运行。如图 1.6 所示为英国 AWS Ocean Energy 公司研发 Archimedes Wave Swing 装置在 2010 年于苏格兰附近海域建立的试验实物和原理示意图，它的原理是通过圆柱形浮筒，浮筒由于波浪的作用而起伏运动时，浮筒内通过缆绳锚系直线电机的机芯部分并不随浮筒一起运动，从而通过直线电机的机芯往复运动发电我国波浪能利用技术具有起步晚、发展速度快、开发规模较小的特点，相关图 1.7 为中国科学院广州能源研究所研制的点吸收式直线发电试验装置 2011 年底在广州大万山岛海域运行时的情况及其原理示意图，它的装机容量是 10KW，波浪作用下，与水下阻尼板固定连接的直线电机动子和与振荡浮子固定连接的直线电机定子产生相对运动而发电如图 1.8 和图 1.9 所示集美大学海洋能利用团队研发的海洋能利用综合试验平台，平台通过位于主体两侧的振荡浮子列和摆板采集波浪能，通过垂直轴风机采集海洋风能，当波浪朝某一方向传递时，平台受水力作用会绕前端锚系浮筒转动，使平台主“船体面向来波方向，从而更好的吸收波浪能，当波浪传递至平台主体时两侧振荡浮子列因波浪不同区域水浮力作用的不同与主体产生相对运动，这些机械能被齿轮箱等结构转化为旋转机械能后供舱内发电机利用。 参考文献1 游亚戈，李伟，刘伟民，等.海洋能发电技术的发展现状与前景J.电力系统自动化，2010，34(14)：1-12. 2 蔡男，王世明.波浪能利用的发展与前景J.国土与自然资源研究.2012(6)：92-94. 3 焦永芳，刘寅立.海浪发电的现状及前景展望J.中国高新技术企业.2010(12)：89-90. 4 王宏.海洋局关于印发海洋可再生能源发展纲要(2013-2016 年)的通知EB/OL .(2013-12-27) 2014-10-19./gongbao/content/2014/content_2654541.htm 5 郑崇伟，贾本凯，郭随平，等.全球海域波浪能资源储量分析J.资源科学，2013，35(8)：1611-1616. 6 郑崇伟，李训强.基于WAVEWATCH模式的近22年中国中国海波浪能资源评估J.中国海洋大学学报，2011，41(11)：5-12. 7 任建莉，罗誉娅，陈俊杰，等.海洋波浪信息资源评估系统的波力发电应用研究J.可再生能源，2009，27(3)：93-97. 8 丁莹莹.我国海洋能产业技术创新系统研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013. 9 游亚戈，李伟，刘伟民，等.海洋能发电技术的发展现状与前景J.电力系统自动化，2010，34(14)：1-12. 10刘美琴，仲颖，郑源，等.海流能利用技术研究进展与展望J.可再生能源，2009，27(5)：78-81. 11游亚戈.我国海洋能进展J.中国科技成果，2007，16(3)：18-20. 12顾明浩，谭祺，石世宁，等.摆式海洋波浪发电原理与事迹J.流体传动与控制，2012，5：5-9. 13訚耀保，Tomiji Watabe.海洋波浪能量综合利用M.上海：上海科学技术出版社，2011. 14韩冰峰，褚金奎，熊叶盛，等.海洋波浪能发电研究进展J.电网与清洁能源，2012，28(2)：61-66. 15游亚戈，李伟，刘伟民，等.海洋能发电技术的发展现状与前景J.电力系统自动化，2010，34(14)：1-10. 16Thomas G，Evans DV. Arrays of the Three-dimensional Wave-energy AbsorbersJ.Journal of Fluid Mechanics，1981，108：67-88. 17De O，Falcao F. Wave-power Absorption by a Periodic Linear Array of Oscillating Water ColumnsJ. Ocean Engineering，2002，29：1163-1186. 18Babari A，Hals J. Numerical Benchmarking Study if a Selection of Wave Energy ConvertersJ. Renewable Energy，2012，41：44-63. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题要研究或解决的问题： 国内外通过研究海洋波浪能的特点，已提出了多种不同的波浪能发电装置，这些装置机械结构和原理各异，转换效率高低不一，大部分处于理论或者初步设计阶段。由于海洋波浪能利用技术较新，针对相关装置的优化设计还比较少，进行相关研究工作对装置的优化设计具有指导意义。在点吸收式波浪能发电技术方面：以往多采用单振荡浮子采集波浪能的方式，或者多个单臂振荡波波浪能装置在二次转换以后再进行电力调配和并网，对多点阵列的点吸收式波浪能发电装置的研究较少，相关振荡浮子阵列中振荡浮子间运动的相互影响也较少第一章简述了海洋能资源背景和国内外海洋波浪能发电技术的研究现状，介绍了几种典型的波浪能发电装置的技术原理。并对与本文提及的单臂振荡波波浪能发电装置进行了调查和分析。 第二章介绍了单臂振荡波波浪能发电装置的机械结构和原理.第三章对单臂振荡波波浪能发电装置进行机械结构设计计算拟采用的研究手段（途径）： 模型实验台主要由采能振荡浮子、传动连杆、单向轴承、传动轴、行星增速齿轮箱、扭矩传感器、发电机、结构支架、机箱等组成，局部设计示意图如图1所示。 如图1所示为模型实验台的机械原理示意图，图中球形振荡浮子通过活动扣件与连杆相连，连杆另一端通过螺丝与单向轴承固定，超越离合器只能带动转轴做单向旋转，两转轴间通过齿轮相互连接，其中的转轴 1 通过联轴器与扭矩余转速传感器连接，从而可以通过传感器测出振荡浮子在波浪中运动产生的转矩。机箱内增速齿轮箱的输出轴通过橡胶传动轮与直流发电机转轴相连，当左侧振荡浮子因为波浪的作用做向上摆动时通过连杆带动单向轴承旋转，单向轴承此时锁死所以带动转轴 2 做顺时针旋转，当振荡浮子因重力作用向下摆动时，单向轴承解锁，并不
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