海洋浮标观测系统波能发电装置关键技术研究课件1

1、海洋资料浮标观测系统波能发电装置关键技术研究汇报提纲课题基本信息12课题考核指标实现情况3子课题执行情况 项目综述基本信息项目概述与成果预期项目编号QDME2011GD02 项目名称用于海洋资料浮标观测系统的波浪能供电关键技术的研究与试验项目类型研究试验及支撑服务类实施周期 2011年 8 月至2013年 8月项目组织单位青岛海纳重工集团公司项目负责人原晨光联系人电本项目拟开展针对海洋观测设备用电需求的新型海洋能发电系统相关技术的研究与试验，研发符合中国波浪能资源特点、以振荡浮子型机械传动为能量转换形式的波浪能发电装置，可在实际海况下长期运行的单机装机容量不低于1kW

2、的用于资料浮标的波浪能供电装置样机。课题的研究目标补充合同考核指标根据课题实施方案、任务合同书及青岛海纳重工集团与中国海洋大学签订的合作协议要求，中国海洋大学负责装置的整体设计、振荡浮子结构与齿轮齿条发电备选结构的研发与制造，并负责装置样机整体装配与海试投放。青岛海纳重工集团负责直线电机发电系统、输配电系统及电磁保护装置的研发与制造。补充经费分配序号项目课题任务书规定的考核指标完成情况1预期目标研发用于浮标观测系统的波能供电装置1套，满足浮标观测系统供电要求。完成，样机于2014年上半年完成整体装配，于2014年8月底完成海试运行。电力系统海试可正常收发数据。2性能指标样机装机容量不小于1kW

3、,在实海况条件下最大功耗的输出功率不低于额定功率的60%。完成，样机装机容量为1kW，监测到发电机输出最大功率为613.4W3安全指标保证在极端海况条件下的可靠和安全，样机无故障运行时间累计不少于2150小时。完成，三次海试累计运行2760分钟4获得专利发表论文国家发明专利1项，实用新型专利1-2项。发表论文2-3篇，其中被SCI、EI或ISTP收录不少于1篇。完成，已申请国家发明专利1项，申请实用新型专利6项。截止目前共发表高水平论文3篇，其中EI收录1篇次。5人才培养培养博士、硕士研究生1-2名。完成，现培养博士生 1 名、硕士生 2名，已毕业博士生 1 名，硕士生 2 名。课题考核指标完

4、成情况对比子课题执行情况水动力性能理论分析1三维数值模拟研究优化2水工物理模型试验验证3工程样机设计与海试试验4装置浮子的形状选择 圆柱形-基于势函数位移（m）时间（t）Part 1 水动力性能理论分析装置浮子的形状选择 圆柱形-基于牛顿第二定律Part 1 水动力性能理论分析装置浮子的形状选择 圆柱形浮子浮子振幅（m）时间（t）时间（t）浮子位移（m）Part 1 水动力性能理论分析装置浮子的形状选择 圆锥形浮子Part 1 水动力性能理论分析装置浮子的形状选择 圆锥形浮子时间（t）B（m）时间（t）浮子振幅（m）时间（t）浮子位移（m）Part 1 水动力性能理论分析装置浮子的形状选择 球

5、形浮子Part 1 水动力性能理论分析装置浮子的形状选择 球形浮子时间（t）B（m）时间（t）浮子振幅（m）时间（t）浮子位移（m）Part 1 水动力性能理论分析基于势函数理论和牛顿第二定律两种理论计算侧重点不同，但结果相近Part 1 水动力性能理论分析浮子运动均呈现出周期性，周期与波浪周期相同，圆柱形及球形浮子的周期性较圆锥形浮子的运动周期性更加明显；在以上三种规则形状浮子中，圆锥形浮子的运动振荡幅度最大，也最为剧烈；圆柱形浮子次之，球形浮子最弱在波浪条件及静水面截面面积相等的情况下圆锥形浮子随波性更好。理论分析小结研究内容试验工况；浮子尺寸对装置发电效率和运动性能的影响分析；波浪要素对

6、装置发电功率和运动性能的影响分析；浮子形状对装置发电效率和运动性能的影响分析；装置能量一次转换效率的计算；0Part 3 水工物理模型试验验证试验波浪要素有效周期T=4s、5s、6s、7s、8s有效波高H=0.5m、1.0m、1.5m、2.0m试验长度比尺1:16；试验时间比尺1:4试验时间比尺1:4试验功率比尺1:16384Part 3 水工物理模型试验验证及比尺试验力比尺1:4096Part 3 水工物理模型试验验证排水体积相同，直径不同排水体积相同，浮子直径越大浮子越易起振，但发电功率并不是随浮子直径增大而增大，当浮子直径达到某个特定值时，浮子发电功率会降低。周期1.25s周期1.5s周

7、期1.75s周期2.0sPart 3 水工物理模型试验验证入射波高影响随波高增加，装置吸收的能量越多，功率越大波高6.25cm波高9.375cm波高12.5cmPart 3 水工物理模型试验验证入射波周期影响周期对于浮子的发电功率影响没有波高明显，但是存在敏感周期，试验中1s和1.5s时浮子发电功率很小排水体积22.7 103cm3，波高12.5cm，周期2s排水体积28.3 103cm3，波高12.5cm，周期2sPart 3 水工物理模型试验验证形状对发电效率运动性能的影响分析楔形浮子发电功率和能量一次转化效率都明显优于圆柱型浮子Part 3 水工物理模型试验验证水工物理模型试验小结1.单

8、体振荡浮子波能发电装置无需多个浮子进行能量汇集因此采用直接能量传递的齿轮齿条形式较优2.从发电效率和运动稳定性考虑，陀螺体浮子优于圆柱型浮子。3.特定周期下，浮子易出现纵摇和纵荡，对浮子固定需要特殊考虑。Part 2 三维数值模拟研究优化1.振荡浮子结构随波性的数值模拟研究优化2.锚固泊稳系统随波性的数值模拟研究优化浮子形状浮子尺寸不同水深装置吃水波浪参数优化设计六点锚固形式单点锚固形式优化设计PartIPartII浮子形状尺寸确定装机容量数值模拟验证两点锚固形式Typem (kg)m(kg)A (m)Ez (J)(%)圆柱1972.924000.9571762317.54圆锥1853.616

9、501.0211900018.91球1972.918000.9571718617.11Part 2 三维数值模拟研究优化浮子形状以静水面处圆截面相等的圆柱、圆锥和球形浮子进行数值模拟圆锥角(m)(kg)S(m2)(m)(J)601.475914.646.7881.064123346.2821.49%901.644734.628.4500.98891684.9514.32%1201.94262.3911.3410.94478864.4810.63%Part 2 三维数值模拟研究优化浮子尺寸-底面锥角假设圆锥底面半径为 R=2m，分别以圆锥顶角为 60、90和 120为例，讨论圆锥角的影响(m)(

10、kg)S(m2)(m)(J)1.29213110.275.2440.937240772.747.73%1.3359594.615.6240.988185797.735.56%1.4206633.586.3621.029133788.724.08%1.5195415.1810.1790.956101467.417.06%1.7964381.9710.1790.93880561.611.46%曲线斜率水深经济Part 2 三维数值模拟研究优化浮子尺寸-底面锥角这不与前面的矛盾吗？R(m)(m)(kg)S(m2)(m)(J)10.931494.672.7170.95327930.367.69%21.

11、475914.646.7891.064123346.2821.49%31.9313354.1011.7021.112291055.2538.62%Part 2 三维数值模拟研究优化浮子形状-底面半径假设圆锥角为60，波浪条件不变，分别以圆锥底面半径 R=1m，2m 和 3m 时，讨论半径的影响R(m)(m)(kg)S(m2)(m)(J)42.3423803.4717.2020.989461415.9550.50%52.7136971.3223.0720.893647101.5761.16%63.0653268.7229.4170.860897897.4675.15%水深和设备的限制成本能量转换

12、率的增幅与质量的增幅之比Part 2 三维数值模拟研究优化浮子形状-底面半径为找到最优半径，再假设 R=4m、 5m 和 6m 进行对比计算从图中可以看出，波浪能转换效率随着底面圆半径的增大而增大。但在实际海试中，考虑到水深和设备能力的限制，半径过大的浮体的制造和安装、下水的难度较大，成本也比较高。且当半径增大时，能量转换率的增幅比质量的增幅小，故现实条件下应综合考虑。(m)(m)(kg)S(m2)(m)(J)1.0071.7443287.589.5550.93760377.018.87%1.3572.3508043.9517.3490.927146152.0415.93%1.4382.491

13、9577.6719.4940.924173455.4217.82%铝灰铸铁钢水深浮子尺寸Part 2 三维数值模拟研究优化浮子吃水深度假设浮子形状和尺寸一定，浮子均为底面半径 R=3m，圆锥角为 120，为使浮子吃水深度不同，分别采用铝、灰铸铁和钢三种不同材料制作浮子，进行计算比较H(m)(m)(J)(J)10.47288604.94243152.2036.44%20.924173455.42972608.8017.83%41.790336022.953890435.008.64%在波高小的海域具有高能量转换率的优点Part 2 三维数值模拟研究优化不同波高条件假设圆锥形浮体底面半径 R=3m

14、，圆锥角为 120，制作材料为钢，淹没水深1.438m，分析不同波高的影响(s)w(rad/s)(m)(m)(J)(J)51.25638.870.924173455.42972608.8017.83%100.628121.161.003188285.493031677.006.21%200.314270.571.004188473.216770228.002.78%在周期短的海域具有高能量转换率的优点Part 2 三维数值模拟研究优化不同周期条件假设入射波波幅均为 1m，即波高 H=2m，浮子和水深条件依然不变，计算分析不同周期的影响(s)(m)(m)(J)(J)1036.560.931174

15、769.48914807.8019.10%5038.990.924173455.42975611.5017.78%20038.990.924173455.42975611.5017.78%Part 2 三维数值模拟研究优化不同水深条件水深可影响垂荡运动振幅，进而影响波浪能吸收率的大小。故假设浮子形状和尺寸相同，波浪条件一致，仅改变浮子所处海域的水深，研究不同水深条件下的波浪能的转换效率Part 2 三维数值模拟研究优化工况编号水深（单位：m）工况描述P112.0规则波，波高0.5m，周期3.0sP212.0规则波，波高0.5m，周期4.0sP312.0规则波，波高0.5m，周期5.0sP412

16、.0规则波，波高0.5m，周期6.0sP512.0规则波，波高0.5m，周期7.0sP612.0规则波，波高1.0m，周期3.0sP712.0规则波，波高1.0m，周期4.0sP812.0规则波，波高1.0m，周期5.0sP912.0规则波，波高1.0m，周期6.0sP1012.0规则波，波高1.0m，周期7.0s单个浮子H=0.5mT=5s随波运动情况发电机选取永磁转子发电机,启动扭矩1.5Nm,额定转速400r/min,额定功率500W最初设计的浮子形状及尺寸在波浪的作用下可使得发电机正常启动并工作Part 2 三维数值模拟研究优化不带风力两个字行不行？怎么才能更好的让别人没有歧义？为什么

17、要先展示不同周期的图，然后展示时域图，目的在哪儿？你这边30N，那边4000N，合理吗？改成永磁转子发电机。先展示随波高增大受力增大，周期对受力也有影响，但影响不大；下面时域图为了展示在浮子大部分运动时间内受力均较大。Part 2 三维数值模拟研究优化数模结果与理论分析的结果相一致，综合考虑浮子随波性、波浪能转换效率、以及工程样机加工情况最终浮子形状定为上部圆柱下部圆锥相结合的形式。振荡浮子数值模拟研究小结Part 2 三维数值模拟研究优化六点式锚固单点式锚固两点式锚固六点式锚固形式的施工难度较大通过数值模拟分析运动响应情况泊稳系统随波性数模图像H=0.50m T=4sPart 2 三维数值模

18、拟研究优化H=0.5m T=4s装置整体运动响应Part 2 三维数值模拟研究优化Part 2 三维数值模拟研究优化Part 2 三维数值模拟研究优化Part 2 三维数值模拟研究优化Part 2 三维数值模拟研究优化1.装置在波周期较小时产生共振，因此运动响应情况达到峰值。但小波高峰值也较小2.在工程样机锚链选择应严格按照数值模拟结论进行尺寸的选择，并留出足够富余量。3.两点式锚固形式无论从施工还是装置漂浮状态看为最优锚固形式。锚固数值模拟研究小结Part 4 工程样机海上试验浮子运输潜伏体运输石笼运输石笼及潜伏体主体结构先后分别投放，潜浮体由船运至指定地点投放。导向杆与振荡浮子不在路上装配

19、，而采用分开装船，到达投放点后在船上完成装配工作。在水中由潜水员进行水下连接及调平工作。大型吊车及铲车海试专用小型船舶专业潜水作业员Part 4 工程样机海上试验装置海试工作状态观测在海上试验阶段，专门安排人力对装置进行值守。定时记录当地风向、波高、流向等自然情况及海洋资料浮标波能发电装置工作情况。本次海试未能达到预期效果，海洋资料浮标波能发电装置发生大幅度倾斜，导致无法正常工作。Part 4 工程样机海上试验12振荡浮子受波浪作用，与导向杆之间产生较大的相互作用力。必须加强与齿条啮合齿轮传动轴的机械强度，保证装置在极端风浪状态下能够安全运行。振荡浮子受波浪作用，与导向杆之间产生较大的相互作用

20、力。必须加强与齿条啮合齿轮传动轴的机械强度，保证装置在极端风浪状态下能够安全运行。3工程样机浮子吃水较大，波能转换效率低，应增加浮子浮力本次样机海试无论从装置设计还是整个海试过程都为后续装置的设计选型以及最终海试提供了宝贵的经验装置整体重心偏高应采取底部配重形式降低装置整体重心导向杆连接处易受到较大风浪流作用力，应将导向杆与套筒的连接处加强固定Part 4 工程样机海上试验小结Part 4 工程样机海上试验降低重心的配重石笼振荡浮子整体优化潜浮体浮力的增加Part 4 工程样机海上试验二期装置海试施工方案同前期海试装置相仿，二期装置同样将潜浮体主体结构与上部发电系统分开施工。施工时采用了三个边

21、长为1m的浮箱，三个浮箱三角形搭接形成一个漂浮平台，平台的中间位置有足够空间容纳振荡浮子。去除船体对导向杆的约束，施工人员直接在漂浮平台上配合潜水员完成对接操作。装置海试工作状态观测发电装置初期运行状态良好，装置样机海上运行90天后，受大风浪影响，与齿条啮合齿轮传动轴发生断裂，发电装置工作瘫痪。发电装置无法正常工作后，组织施工人员将装置运回陆地，观测零件受损及装置腐蚀情况。Part 4 工程样机海上试验1潜浮体结构复杂，可简化其形式；锚固石笼可用等质量混凝土块代替2齿轮连接轴承强度较弱，应加强与齿条啮合齿轮传动轴的机械强度。振荡浮子受波浪作用，与导向杆之间产生较大的相互作用力。必须加强与齿条啮

22、合齿轮传动轴的机械强度，保证装置在极端风浪状态下能够安全运行。振荡浮子受波浪作用，与导向杆之间产生较大的相互作用力。必须加强与齿条啮合齿轮传动轴的机械强度，保证装置在极端风浪状态下能够安全运行。3由于投放海域流速较大且海流方向复杂多变，因此锚固形式需要进一步优化。两次海试无论从装置设计还是整个海试过程都为后续装置的设计选型以及最终海试提供了宝贵的经验Part 4 工程样机海上试验小结装置对环境要求较高国内波能发电装置特点国内开发环境较恶劣装置装机容量较小对入射波况要求高远离大陆难于维护波高小周期短能流密度较低潮差较高国内海洋环境动力特点关键技术之一振荡浮子式双扭矩输出系统阻尼板式潜浮体结构配合

23、单点锚固泊稳系统关键技术之二基于两大关键技术的产品化设计思路Part 4 工程样机海上试验Part 4 工程样机海上试验能量摄取系统能量传递系统锚固系统水面1.导向杆2. 浮子3.阻尼板4.斜撑5.配重块1齿轮2增速器3发电机5控制器6蓄电池6隔舱7导向轮装置吊装精度较低小型波浪能供电装置投放地点环境局限装置体量较小适合一般起重船整体操作锚固混凝土块较轻组装地点岸边码头波浪较小潮流较大近海多养殖区域投放地点路况海况关键技术之一陆上联调技术整体投放技术关键技术之二基于两大关键技术的标准化投放流程Part 4 工程样机海上试验Part 4 工程样机海上试验装置吊装精度较低小型波浪能供电装置投放地点

24、环境局限装置体量较小适合一般中型起重船操作锚定混凝土块较少组装地点岸边码头波浪较小潮流较大近海多养殖区域投放地点路况海况确保装置在海上可以正常工作减小投放成本，增加投放成功率装置设计关键技术实现情况A.振荡浮子式双行程扭矩输出系统Part 4 工程样机海上试验装置设计关键技术实现情况B.阻尼板式潜浮体结构配合单点锚固泊稳系统Part 4 工程样机海上试验A.陆上联调技术Part 4 工程样机海上试验海试施工关键技术实现情况1kW级小型波浪能供电装置关键技术研究海试施工关键技术实现情况B.整体投放技术Part 4 工程样机海上试验海试施工关键技术实现情况B.整体投放技术Part 4 工程样机海上

25、试验智能充电器硬件部分充电装置硬件总体结构设计框图如下图所示，由主电路和控制电路两部分组成。虚线框外部分为主电路，虚线框内部分为控制电路。主电路的功能是将输入的三相交流电转变成蓄电池负载需要的直流电；控制电路用于实现电源各种功能。 充电装置硬件总体结构设计框图后面这部分太丑了，你是故意留着的，还是怎么的让他们简化，别一堆一堆的字，简化不了，我就要说这部分是机械总公司准备的，下同 控制电路 控制电路包括电压反馈电路和电流反馈电路、PI调节器及反馈选择电路、D/A转换电路，CAN总线电路，单片机及其外围电路。其各模块框图如图所示： 控制电路原理框图主控流程如下：首先调用初始化函数对所有设备进行初始

26、化。判断关机是否正常，如果上次关机为正常关机则调用各种模式选择函数，选择充电模式；如果不正常，则读EEPROM,读取非正常关机时充电机的状态。然后进入循环，在5分钟之内，允许对充电机自动充电状态下的给定电压进行设定；每1O分钟，将充电机当前状态记入EEPROM.选择充电方式，用相应的子程序对数据进行处理，得出输出结果，并通过DA变换为所需的电压信号；每秒钟调用一次计时函数，记录并显示当时的充电总时间和所处阶段的充电时间；判断是否满足阶段转换的条件，控制阶段转换灯；根据关机条件判断充电是否完成。流程图如下： 一期海试情况介绍样机下水海试结果分析 一期海试期间，浮子在波浪的推动下能按照预期上下运动，充电装置能在浮子的上下运动时产生电能实现为蓄电池充电的目的，基本达到预期目标。所发的电量足够铆灯等消耗且经过一期长时间的海试后，蓄电池依然满电。但也应该看到装置仍然有一些地方可以进行改进优化，如装置的稳定性、发电效率等等。相信经过对装置的进一步优化完善，二期海试时装备将达到更佳的状态。电力系统设计原理 电力系统的设计原理，由控制器控制整个系统的工作，包括发电机的发电输入，信号数据的传输。两个控制器分别控制发电机的发电量，发电功率及发出的电压，不仅可以实现控制DTU的供电和数据收发，也可以实现发电机给蓄电池的反向充电，可实现电能的循