浮筒式波浪发电装置决赛说明材料

1、目 录摘要3前言41项目研究背景及意义52设计方案52.1基本原理及设计思路52.2外筒及叶片的设计62.3发电装置设计72.4齿轮传动装置设计72.5轴的设计92.6电路设计103实物模型设计制作及实验分析113.1外形尺寸及重量计算113.2模型制作和实验分析114性能分析及成本144.1发电量及节能分析计算144.2成本预算155创新点156应用前景15参考文献16【摘要】波浪能是清洁的可再生能源之一，它的开发利用对于缓解能源危机有着十分重要的意义。本文设计了一种利用波浪发电浮筒式发电装置。该装置主要由能量采集叶片、动力传递齿轮、电能产生和输出模块等几部分组成，可以自主漂浮在水面上，利用

2、波浪推动其转动产生电能。该装置利用波浪能推动叶片带动外筒旋转，并将该动能传递到内部齿轮组上，通过二级齿轮组使线圈和磁铁以较高的转速比产生相对转动，从而产生较大的交变电流。所产生的交变电流经过整流后即可供自身发光或向外部输出。将本装置在海岸线附近多个串联使用，不仅可以为海上浮标或海岸线附近设备提供必要的电能，解决现有设备电池更换和维修的不便等问题；也可以为装置本身安装发光元件，将其作为无电源的发光警戒线或海洋叠标线等使用。这种浮筒式发电装置结构原理简单，使用维护方便，可以较大程度地利用波浪动能，同时具有较高的可靠性。 AbstractWave energy is one of the clean

3、est renewable energy sources. Its development has much significance for the relief of energy crisis. In this paper, we designed a generating equipment which can float on the sea, and use the wave energy to produce electricity and light. If we use this equipment in groups, they can be used as the lum

4、inous warning limits without any power supply along the coastline. It has solved the problem of in being warning limits such as the high cost, inconvenience of repairing and the low energy utilization rate. Besides, the equipments principle is simple and practicable. It is suitable to use extensivel

5、y.【关键词】：波浪能、发电、浮筒、海上浮标前言随着全球范围内能源危机的日益严重,从能源长远发展战略来看,人类必须寻求一条发展洁净能源的道路。新能源和可再生能源的开发利用成为各国21世纪能源可持续发展战略的重要选择。海洋能是一种有利于环保可再生的清洁新能源,包括潮汐能、海流能、波浪能、海水温差能和海水盐差能。其中波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一,是近期海洋能利用研究中研究最多的海洋能源。波浪能发电是波浪能利用的主要形式之一。根据BP世界能源统计年鉴2011中调查所得的数据，世界能源消费结构如下图1所示：图1世界能源消费结构世界水能利用形式情况如下图2所示：图2世界水能利用形式可见，水能

6、利用在世界总能源利用中仅占6.5%，而水能利用形式中波浪能又仅占3.4%，即波浪能利用在世界能源消费结构中仅占0.221%。但是全球的波浪能总量远大于目前已经利用的数目，所以如果对波浪能进行合理利用，将对世界能源危机起到相当大的缓解作用。基于对海上浮标供电情况的调查分析，结合上述世界能源利用形势，我们设计了浮筒式波浪发电装置。1项目研究背景及意义海上浮标灯是一种在海上为航船指引安全的航道，为近海的渔民指示渔网的位置，或为游人制定安全区域的装置，通常都设置为在夜间发光，利用电池提供电能。由于浮标对海上作业活动的安全性起着极其重要的作用，所以它的需求量每年都在增加。在查阅了大量海上浮标的资料后，对

7、各种浮标供电方式的利弊进行了分析，结果如下表1所示：表1各种浮标灯供电方式比较 性能供电 成本机械构造可靠性应用范围使用寿命维护维修蓄电池较低简单较高广较长较难太阳能电池高复杂低窄短难传统波浪能发电较高较复杂较低较窄较短较容易由表1可以看出，目前应用最广泛的电池浮标灯需要定期到岸边进行充电或者更换电池，对电池的保养要求很高。这样在实用性和管理上都很复杂，而且频繁更换电池对环境的污染情况比较严重。可见，这类用电的小型漂浮装置有很大的改进空间。如果可以设计出一种自主发电并将其转化为光能的漂浮装置，就能够达到节约电能的目的。基于此，本文设计了一种利用波浪能发电的装置。传统的波浪发电机都是利用波浪能推

8、动叶片转动后，再带动连接普通发电机的叶片轴，叶片在海水中的相对位置固定，因为普通发电机固定在灯塔或岸边。本作品与传统的波浪发电机不同，它将发电机和叶片有机结合为一体，可以直接利用海水流动的能量推动自身旋转发电供给外界，而不需要有特定的固定或支撑装置，运行安全可靠。其发电量完全能够满足海上浮标以及海岸线上各种景观照明的需。由于波浪能是清洁能源，大规模应用该装置不仅可以节约大量的电能和人力资源，而且有利于环保。2设计方案2.1基本原理及设计思路根据电磁感应原理，在磁场中转动的闭合线圈中会产生电流，电流的大小与线圈的匝数和磁场强度成正比，这也是发电机的基本原理。利用该原理及流体力学知识，将磁铁与线圈

9、分别布置在可以相对转动的外筒与铁芯上，外筒与铁芯通过轴承与中心轴联接，各自可以绕中心轴转动，中心轴连接到外部有固定位置的用电设备上进行固定。外筒表面安装叶片以提供动力使其转动，线圈在经过电刷后从空心部分的中心轴中引出以连接外部用电设备，原理图及效果图如下图3、图4所示： 图3 设计原理图 图4 设计结构的三维效果图当水从外筒表面流过时，通过叶片带动外筒转动使磁铁与线圈产生相对转动，切割磁感线发电。为增大浮力，减轻重量，外筒使用密度小而强度较大的合成塑料PVC材料，且外筒直径比铁芯直径大得多。在外筒的外表面装有导流叶片，导流叶片根据叶轮机的叶片进行设计，在保证充分提供动力的同时尽可能的减小阻力。

10、为提高磁铁与线圈的相对转速，经理论分析，在外筒内壁与线圈所在铁芯之间安装一套齿轮传动加速装置。该装置利用直流发电机的转子铁芯，通过安装在轴上的电刷与换向器装置产生直流电。由于海水流动方向不确定，电流方向不确定，所以需要一套整流、滤波与稳压装置，该部分通过外部电路设计实现。2.2外筒及叶片的设计外筒和叶片是该装置的直接动力来源，当水流经叶片时，会有力作用于其上，其中的切向分力会推动外筒转动。外筒设计原理图如下图5、图6所示： 图5 外筒设计原理图 图6 外筒设计三维效果图为了充分利用水对叶片的作用力，在设计时需要考虑叶片的分布及长度。1、叶片数量的优化根据水轮机和风机的叶片设计的实验数据，得到3

11、7个叶片可以使叶片得到的有用功最多。所以进行一系列实验选择适合该作品的叶片数目。采用控制变量的方法进行实验，控制除了叶片数目以外所有的实验条件都一致，用活动叶片进行了粗略的实验。实验结果证明当该装置有6个叶片时，在相同条件下的转速最大，故最终选取设计叶片数为6。2、叶片形状的优化具体的叶片优化设计应该包括合适的翼型选择和叶片长度、扭角分布、厚度分布等几何参数的设计。由于所学有限，我们选择厚度均匀的近长方形作为叶片，主要应用流体力学知识优化叶片的伸出长度和倾斜角度。叶片越长则该装置外筒的受力力臂越大，在相同力的作用下发电装置动力越大，但是与之相对应的阻力也会越大。此外，在外筒尺寸和叶片数量一定的

12、情况下叶片过长对动力增加影响会远小于对阻力增加的影响，成本也会相应增加。所以，经过对外筒叶片进行平面受力分析，选择装置的外筒半径作为叶片伸出的净长。参照水轮机、风机、汽轮机等叶片的设计，可以知道带有弧度的斜叶片最有利于外筒受力旋转，但是由于加工条件的限制，实际实验中使用了倾斜的直叶片。弧线的形状由叶片的倾斜角度和外筒直径决定。单个叶片形状如下图7所示。图7 叶片形状流体在由叶片构成的叶片通道流动遵循粘性流体动力学方程纳维斯托克斯方程。在直角坐标系下，黏性流体的运动微分方程，即可压缩的纳维斯托克斯方程为：ux+uux+vuy+wuz=fx+Pxxx+xyy+xzzvx+uvx+vvy+wvz=f

13、y+yxx+Pyyy+yzzwx+uwx+vwy+wwz=fz+xzx+xyy+Pzzz矢量式为 DvDt=f-P+2v稳定管流的动量矩方程为：A2(v1×v2)2v2dA2-A1(r1×v1)1v1dA1=(r×F)由以上控制方程可知，叶片的倾斜角度决定了作用于外筒上的动力与阻力。可以用fluent软件对叶片的水动力性能进行分析，采用基于叶素动量理论的简化设计方法对该装置的叶片进行优化。在查阅了水轮机叶片设计的经验资料后，得到叶片的倾斜角度在10°到15°时的可以使该装置在相同水流速度的条件下转速最高。最终我们决定采用10°为设计制

14、作模型的叶片倾斜角度。为了便于安装、拆卸与维修，外筒的端面设计一边采用一体成型，一边采用管螺纹密封，外筒与轴之间采用密封性能较好的滑动轴承进行密封。2.3发电装置设计根据发电机原理，磁通密度越大，相同转速下磁通量密度就越大，发电机的电压就越高，效率也就越高。为了保证磁通量，减少漏磁，并尽量提高输出电压，应使磁铁与线圈之间的距离应尽可能小。考虑到目前的实际装配技术和成本的限制，我们最终采用市面上购买到的ZYTD-60SRZ-R1型电机作为制作模型的电力输出源。这种电机体积较小，重量较轻，且反向作为发电机运行时阻力较小，效率相对较高。2.4齿轮传动装置设计由于波浪的平均流速较低，不能满足直接发电的

15、需要，这也是传统波浪发电装置最大的弊端。所以，我们在装置内部设计了一套二级加速齿轮机构，分别为内啮合和外啮合齿轮。这样，在保证了传动比和发电效率的同时，也满足了磁铁和线圈转动方向时刻相反的要求，齿轮设计原理如下图8所示：图8齿轮设计原理图齿轮传动的总传动比设置为10左右。综合考虑空间尺寸限制和速比要求，将中心轴及与其平行的悬臂轴间距设定为 a'=52.5mm，一级内啮合齿轮传动中：d1=135mm，d2=30mm，i12=4.5；二级外啮合齿轮传动中：d3=75mm，d4=30mm，i34=2.5，齿轮模数m=1mm，齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25，分度圆压力角=20&#

16、176;,齿轮设计计算如下：齿轮啮合标准中心距a=12mz1-z2=12mz3+z4=12×1×105=52.5mma=a'，属齿轮零传动。基于标准齿轮传动的缺点，这里选用高度变位齿轮传动，其中小齿轮采用正变位，大齿轮采用负变位。显然z1-z2=z3+z4=105>2×zmin=34满足齿轮加工不根切的条件。选取变位系数如下：x2=-x1=0.5 x4=-x3=0.4小齿轮正变位齿顶易变尖，高度变位传动的重合度会略有下降，故对小齿轮的齿顶厚和高变位的重合度校核如下：sa2=s2ra2r2-2ra2inva2-inv=2.06-0.94=1.12mm正

17、变位齿轮齿顶允许厚度一般为sa=0.2m0.4m，则sa2>sa=0.4mm12=12z1tana1-tan'-z2tana2-tan' =12135×0.41-0.36-30×0.54-0.36=1.77sa4=s4ra4r4-2ra4inva4-inv=1.99-0.94=1.05mmsa4>sa=0.4mm34=12z3tana3-tan'-z4tana4-tan' =1275×0.44-0.36+30×0.54-0.36 =1.74表2齿轮设计参数表名称符号高度变位齿轮传动1234变位系数x-0.50.

18、5-0.40.4分度圆直径d135307530啮合角20°中心距a52.5节圆直径 d'135307530中心距变动系数y0齿高变动系数y0齿顶高ha0.51.50.61.4齿根高hf1.750.751.650.85齿全高h2.25齿顶圆直径da1363376.232.8齿根圆直径df131.528.571.728.3重合度1.771.74分度圆齿厚s1.211.931.281.86齿顶厚sa0.841.120.831.052.5轴的设计在本发电装置中，轴是重要的固定部件，对所有的运动件起到固定作用，因此，轴的强度会直接影响整体的运动情况。此外，导线在经过电刷后要从轴中引出，

19、所以电刷一边的轴末端部分是空心的，其余部分为实心轴。由于本该发电装置主要工作在海边，工作环境比较恶劣，除了要受到海水的腐蚀和表层的氧化外，海水的长时间冲击也会使轴产生循环应力。同时，为了减轻重量，轴的密度不宜过大。所以，该装置中轴的材料既要符合强度的要求，又要有一定的抗腐蚀能力。综上分析，根据工作要求需要，轴的材料初步选择45钢。悬臂梁处与外筒大齿轮啮合的小齿轮应放置远离直角处，避免产生应力集中。为了减小轴所承受的弯矩，提高轴的强度和刚度，轴上的传动零件应尽量靠近轴承。所以铁芯和齿轮的分布应尽量靠近两端。但主轴上的小齿轮要同步带动铁芯旋转，所以主轴上的小齿轮和铁芯不宜相隔太远，以免对力矩的传递

20、造成不良影响，应在保证轴的强度的条件下尽量缩短距离。初步设计的主轴原理如下图9所示，其中主副轴为一体成型，主轴上的轴肩与轴环用来定位外筒或铁芯，电刷装置采用插装连接。图9 主轴设计示意图在后期模型制作过程中，由于加工条件和精度的限制，在基本工作原理不变的原则下，我们对实际制作的支撑轴进行了一些改进。根据我们现在的制作技术，无法满足磁铁与线圈之间的距离大概要达到1mm的精加工度，于是我们直接选用了小型电机中的线圈和磁铁，这样线圈和磁铁的相对位置问题就得到了解决。由于小型电机内的线圈与电机轴是固结在一起的，所以在原设计的基础上将轴人为地分成了三部分，即主轴部分、副轴部分和电机轴部分。其中主轴和副轴

21、都是不转动的，通过轴承与外筒连接，其作用如下：1. 主支撑轴：原悬臂轴部分现设计在主轴上，作用仍然是安装双联齿轮，靠近悬臂轴端部开有挡圈槽，用来安装弹簧挡圈为双联齿轮定位。悬臂轴与主干轴之间的距离决定了两级齿轮的中心距，所以此距离的设计充分考虑了总传动比的要求。如图10所示，主轴右端加工了内孔，用来与电机轴间隙配合，使得线圈可以相对主轴转动。因为线圈和电机轴由外壳上的磁铁支架定位，配合部分不起承载作用，主轴由左端盖定位，这样就避免了强度不足的问题；主轴上从右至左的轴肩依次是为集电环和端盖轴承的定位设计的。集电环与主轴固定在一起不转动，方便了由于外壳与线圈相对转动方向不同而需要的电流整合。主轴与

22、端盖轴承采用过盈配合安装，只需一端轴向定位即可。主轴上集电环和端盖轴承安装位置之间开有径向小孔，径向小孔与轴心上向左打通的轴向小孔相通，作用是将通过集电环整合的电流引出装置供外部使用，由于主轴不转动，所以小孔的密封较为容易。 图10 主支撑轴 图11副支承轴2. 副支撑轴：相比主轴，副轴的结构比较简单。副轴上设计了端盖轴承的定位轴肩，与轴承仍然采用过盈配合安装，副轴本身的安装定位并没有难度，主要难度存在于右端盖的安装要保证主轴和副轴同心，两轴如果不同心，装置在波浪推动下转动是就会出现较严重的径向跳动，对装置的发电造成很大的负面影响。综上所述，副轴的制作和安装都较容易，关键步骤在于精确的定位副轴

23、。2.6电路设计在笨装置内，利用直流发电机转子的原理，在转速稳定时由于电刷及换向器的作用，输出应该是直流电，但是由于水流速度及方向的不确定性，使电压大小及方向时常发生变化。因此需要利用整流、滤波及稳压电路将变化的电流变成稳定的电流，连接到蓄电池进行蓄电。设计电路图如下图12所示。图12 设计电路图3实物模型设计制作及实验分析3.1外形尺寸及重量计算由于实验条件的限制，本次设计的模型外筒尺寸为200mm×300mm，在以后的使用中，尺寸参数可以根据不同要求进行进一步的设计与修改。该装置需要长期在海水中工作，由于海水具有腐蚀性，所以外筒材料需选用抗腐蚀能力较强并且密度较小的材料，通过查阅

24、相关资料得知，耐腐蚀PVC材料基本符合设计要求；铁芯尺寸大小为50mm×100mm，由硅钢片制成的铁芯及铜漆包线组成，磁铁与铁芯之间的间隙为1mm；主轴在保证强度的条件下尽可能减少质量，并在表面做耐腐蚀处理。该装置总的重量在6kg左右，当水位线位于外筒的中轴线时，其可以提供的最大浮力为F=gV排=1000×9.8××0.12×0.4×12=61.575N=6.283kg此时，重力与浮力大约相等，可使水位线正好位于中轴线附近，更有效的利用水流的能量带动外筒转动。3.2模型制作和实验分析3.2.1初步实验模型海上波浪的大小和频率总是随着地

25、区和季节的变化而大幅度变化，所以波浪发电装置的密封性和安全性至关重要。在确定了设计方案并进行了上述理论计算之后，我们制作了实验模型。用建材市场买来的PVC管作为外筒，利用有机玻璃板切割成叶片及齿轮，将直流发电机的线圈及磁铁进行相关的改装，集成的整流、稳压、滤波芯片，制作一个初步的实物模型，并进行了在水流中相关的实验。在最初的设计方案设计中，利用的是平面型叶片，与轴线平行，如下图13所示： 图13最初设计方案，叶片数为3 图14改进方案，叶片数为3在进行第一次实验后发现平面型叶片的入水阻力较大，为了充分利用水的能量并减小阻力，查阅了相关资料后，参考了水轮机的叶片设计，设计使叶片与轴成一定角度并带

26、有一定弧度。限于实验条件的限制，实际制作的叶片只是在一个方向上与轴线成一定角度，而没有精确的弧面。在进行改进之后，又制作了另外的模型并进行实验，叶片数分别为3和6，如图14，图15所示：图15改进方案2，叶片数为6改进后的模型在水中转动更加稳定，且转速有较大提高。当叶片数为6，来流速度为1m/s左右时，外筒的转速约为0.5m/s，与理论计算数据基本吻合，验证了理论设计的可行性。此外，通过进行多次实验并分析实验结果粗略得到水流速度1m/s为该装置的最小启动流速。3.2.2实物模型在进行实物制作时，由于磁铁和线圈的加工精度要求较高，故直接采用ZYTD-60SRZ-R1型电机替代原设计的磁铁和线圈部

27、分作为制作模型的电力输出源，因此如上文所述，也需要对轴进行符合制作实际的重设计。在对各个部件进行符合实际的重设计后得到的三维模型效果图如下图16所示：图16实物三维效果图该装置主要由能量采集叶片、动力传递齿轮、电能产生和输出模块等几部分组成。模型的制作过程既要考虑理论要求，也要结合实际情况。理论数据是在理想情况下所得，在实际应用中，各参数可以根据不同要求进行进一步的设计与修改。（一）外筒以及叶片外筒以及叶片和部分齿轮选择有机玻璃制作，考虑的因素主要有：（1）有机玻璃易于采购以及加工。在实验室可以采用激光切割器对有机玻璃加工，较为方便快捷，同时可以满足加工精度的要求。（2）选择透明有机玻璃能够使

28、模型内部结构可见，利于展示。本次设计的模型外筒尺寸为直径200mm，长度300mm；六片叶片为长度320mm，宽度100mm。叶片数目选择为6片，叶片倾角设计为10°，叶片平行粘贴于外筒上，用于对波浪能量的采集。最终制作得到的有机玻璃叶片及固定支架如下图17所示。图17 有机玻璃叶片及支架（二）动力传递齿轮齿轮根据传动效率以及传动比要求，按照上文所述进行设计加工。通过叶片将采集的波浪能转化为机械能，再由动力传递齿轮经过二级加速后传递给直流发电机产生电能，由导线引出。为了便于演示，实际制作的齿轮传动比设计为16050×7040=5.6。最终加工得到的齿轮如下图18所示。图18

29、 加工齿轮（三）输出模块制作 由于波浪的不稳定性，装置的转动方向会发生变化，因此电流方向也会发生变化。为了保持恒定的电压，利用整流二极管和集成稳压芯片来达到稳压的目的。（四）模型组装各个部件制作好后即可进行组装。由于装置本身要在水中转动产生电能，装配过程要控制外筒、齿轮、中心轴和发电机等的同轴度。为了减小摩擦产生的能耗，中心轴两端采用密封滚子轴承装配在两侧端盖上。不仅要保证装置的装配精度，还应该使外筒内部密封良好。浮筒内部装配好后，在齿轮以及转动轴部分均匀油润滑，然后将两个端盖用强力胶粘在外筒两侧，使装置完全密封。制作完成的实物模型如下图19所示。图19 实物模型4性能分析及成本4.1发电量及

30、节能分析计算根据现有的资料，波浪的速度在几米到几十米每秒不等，现假设波浪的速度较低，为v=3m/s时，当前设计的模型尺寸为200mm×400mm，则外筒的周长为C=D=×0.2m=0.628m当水流经外筒叶片时，外筒随水会一起转动，其转动速度为n=vC=3m/s0.628m=4.777r/s但是在实际情况下，由于存在阻力及轴承之间的摩擦损失，实际转速应该比该转速略小，实际转换效率应为=40%左右，则实际转速为n=40%×4.777r/s2r/s根据齿轮设计的传动比i=4.5×2.5=11.25，则铁芯的转速为n1=in=11.25×2r/s=2

31、2.5r/s=1350r/min铁芯的尺寸为50mm×100mm，上面绕漆包线，在该转速时，根据发电机设计手册，并结合铁芯及线圈的尺寸，在此转速时发电机的功率可达到600100W，除去因散热的损失及摩擦消耗的能量后，实际发电量为500800W，该装置可以漂浮在海上，只要有海水的流动就会发电，当水流速度过慢时，装置可能无法启动。若每天该装置的有效工作时间为t=20h，则该装置一天的发电量为W=Pt=0.50.8×20KWh=1016KWh这些能量可以让一个1KW的灯持续亮1016h，若换成相同亮度的发光二极管等功率在100W左右的节能灯，则可以持续亮100160h，完全可以满

32、足照明的需要。若工业及商业用电1度电按1元来计算，该装置一天可以节约1016元，一年可以节约36505840元。如果某海滩安装100个该装置进行发电，作为日常照明用电或警示浮标灯的来源，则每天可以节约10001600元，一年共可节约36.5万58.4万元；如果更大批量使用，每年就可以减少数百万元的开销。若在全国进行大规模的推广应用，每年仅在这一个项目上就可以节约上千万元的开销。4.2成本预算该装置需要长期在腐蚀性较强的海水中工作，为保证其安全性和密封性以延长工作寿命，在外筒和叶片上涂防腐蚀涂料。要保持外筒与外界水的隔离，轴承需要密封防水，因此轴承采用密封性能较好的组合式密封轴承。该装置可以根据

33、实际使用的条件，改变外形的大小和内部齿轮、线圈的尺寸，以调节实际发电量来满足需求。按照本文的使用设计，装置中每个部件的成本如下表3：表3成本预算材料/个外筒及叶片齿轮轴及轴承铁芯及线圈集成稳压芯片总计价格/元5050708020270批量生产后成本可控制在200元以内，投入产出比较高，投入使用后可较快收回成本。5创新点本作品的创新点在于将水轮机的叶片结构应用于波浪发电，同时将提供动力的外筒与发电机做成一体，突破了传统设计二次传动的局限性，提高了能量的转化效率。由于在外筒与铁芯之间增加了齿轮加速装置，使固定在外筒的磁铁与线圈的相对转速提高，提高了低速转动时的发电效率。此外，叶片的设计使该装置可以实现双向旋转，从而提高波浪能