一种新型海洋动能开发装置作品书

摘为了摘为了解决能源供应在社会发展的瓶颈问题，世界各国都在寻找新的可再生能源来代替传统能源，素有“蓝色油田”之称的海洋具有巨大的能量储量，波浪能作为一种新型可再生清洁海洋能源，其开发和利用具有重要战略意义。目前多数捕能装置只能收集波浪水平或者竖直单方向的能量，不能根据波浪运动方向及时调整，发电效率低；且存在适用性不强、效率低下、装置定位困难、捕能效率易受影响等缺陷。基于目前波浪能发电装置存在的问题，我们设计了本装置，可多方位、高效地把波浪能转化为电能。本文提出的一种新型海洋动能开发装置，在工作原理、总体结构设计、运动过程控制等方面均取得了创新性成果：水平与竖直方向捕能相结合，提高捕能效率，该装置效率比目前普遍使用的振荡浮子式装置提高9%左右；首次采用偏航控制系统调整偏心转架角度，使装置准确迎浪；设计换向齿轮箱，吸收海水往复运动，实现全波浪输出；本装置可应用于海洋平台等海上设备或海岛，适用性强本作品属于国家级优秀大创项目，期间申请发明专2并与LHD前景。单台装置年均总收益为7.92万元，经济效益良好。关键词：波浪能；发电装置；高效；全作品作品设计流程目第一章：波浪能发电装置的背景及研目第一章：波浪能发电装置的背景及研究现 1.1一种新型海洋动能开发装置设计背景意 1.2聚波蓄能式、空气式、摆式波浪能发电装 1.3国内外波浪能发电装置的发展历史及现 1.4本文的研究内 第二章：机械系统的创新研究及关键技术指 2.1研究的基本思 2.2竖直部分捕能创新研究与技术关 2.3全波浪输出高效捕能关键技术研 2.4水平部分捕能创新研究与技术关 2.5结构创新 第三章：控制系统的策略研究及关键技术指 3.1基于波浪运动不定时变化的偏航控制创新设 3.2偏航控制系统技术指 3.3控制机械系统精确偏 3.4基于潮汐变化的自适应制动控制创新设 3.5自适应控制系统技术指 第四章：发电装置静强度校核、运动仿真及第四章：发电装置静强度校核、运动仿真及流场分 4.1发电装置关键零件的设计与静强度校 4.4流场分析模型建立与数值模 4.5双向式波浪能高效捕能发电装置实物模型制 第五章：波浪能发电装置的效率分析及其计 5.1竖直方向的效率分析及其计 5.2水平方向的效率分析及其计 5.3竖直与水平方向结合的整体效率分析及其计 第六章：实验分析与计 6.1发电装置波流水槽实验分 6.2发电装置主要参数无量纲分析及计 6.3发电装置实际海况下实验分 第七章：波浪能发电装置应用与前景规 7.2电能储蓄应用及维护方 7.4发电装置应用前景及市场分 7.5创新7.5创新点与不 附 附录一专家推荐 附录二合作意向 1.1一种新型海洋动能开发装置设计背景意1.1一种新型海洋动能开发装置设计背景意总储量基本一致。波浪能流密度在各个季节基本都在8kW/m以上，秋冬两季更可高达20301①图1-1②如图①图1-1②如图1-2齿轮箱结构图1-3风向传感器2③如图1.2聚波蓄能式、空气③如图1.2聚波蓄能式、空气式、摆式波浪能发电装目前市场上使用的波浪能发电装置种类繁多，主要分为以下几类图图3图1-6聚波蓄能式波浪发电原理目前使用的波浪能发电装置各有优缺图1-6聚波蓄能式波浪发电原理目前使用的波浪能发电装置各有优缺[1]，如表1-1所示波浪能发电装置优缺对因此设计一种发电效率高、适应性强的波浪能发电装置尤为重要4装置名优缺适用场点头鸭效率较高，最高接近结构复杂；腐蚀严重可靠性差；极易损适用于理想海况，波规律的振荡水采用空气传递能量，递方便；可靠性建造费用昂贵；转换适用于大风浪区聚波蓄可靠性好；维护费用低适用于地形狭窄浮力摆可靠性差，易损坏；振荡浮建造难度低，成本1.3国内外波浪能发电装置的发展历史及现1.3国内外波浪能发电装置的发展历史及现转向边远沿海和海岛供电，具有实用性、商业化的中小型装置得以发展[2]150020804年，国沿海海域大面积推广与运用；19973kW51.4本文的研究1.4本文的研究内6772.1研究的基本思2.1.12.1研究的基本思2.1.1与风速成压力差（无风时波面两侧压力均等UC（U—C）82.1.2设计思路2.1.2设计思路92-3方案设计图2.2竖直部分2-3方案设计图2.2竖直部分捕能创新研究与技术关下面对Froude-Krylov假定法进行具体介绍[3]F下面对Froude-Krylov假定法进行具体介绍[3]FFHCHSFVCVPzS上式（2-（2-3）Px代表的是没有扰动的海浪对浮子表面任一点在水平方向上的海浪接触的面积；CH代表的是水平绕射系数；CV代表的是竖直绕射系数。所示。长方体浮子的长宽高分别为zchxFVCVPzSgHcoshk(hdcos(kxCV LzchxFVCVPzSgHcoshk(hdcos(kxCV LgHL2coshk(hd(t))sin1V122长方体浮子的水平绕射系数CH和垂直绕射系数CV实验中的操作环境不完全相同，最终得到CH和CVCHCV=2.7，度为d(t)zycxθxhyRsinsinzR=2令pgHcoshkzyRsinsinzR=2令pgHcoshkzcos(krsin)costsin(krsin)sint coshgHcoshkz(kr)sinsin(kr)cos2cost(kr)021 coshFVCVPzSCVgH(BCtanhkh)arcsind(tBR0arcsind(tCsinh(kRcos)J0(kRsin)sinR0深为h、吃水深度为d(t)zycxθxh2-6在正交坐标系的基础上引入圆柱坐标系统(r, y在正交坐标系的基础上引入圆柱坐标系统(r, yrsinzz=2令pgHcoshkzcos(krsin)costsin(krsin)sint coshgHcoshkz(kr)2J(kr)cos2cost2J(kr)sinsin021 coshFVCVPzSRV0gHJ1(kR)coshk(hd(t))Vkarcsind(tBR0arcsind(tCsinh(kRcos)J0(kRsin)sinR0通过分析三种形状物体的垂直波浪力的大小[3]，可以看出，垂直圆柱体浮子能够更有效FFFt2-82-92.3全波浪输出高效捕能关2-92.3全波浪输出高效捕能关键技术研2-102-11n1360r/小齿轮 PT9.55106P9.5510620002-102-11n1360r/小齿轮 PT9.55106P9.55106200010653.08N1n1dHlim1 Hlim2Ad接触疲劳极限:u1dd31u d1bdd10.35200vd1n12003603.77m/60 60m200z1200z21800,d21800 KAKV u1 21 KA1.50.5310.011375N/mm100N/b1.883.2(11)1.88KAKV u1 21 KA1.50.5310.011375N/mm100N/b1.883.2(11)1.88 11) 243Z11 2b2bC103b1.090.1616.70.3110370AB16.7KHKKAKVKHKH1.51.171.402.34ZE189.8ZHNl160nt1h602360240009 60nth6040240005.7671l2 H1取,nSHHlim2Zn5801.18HSHHZZ 2KT1u1189.82.525.7553.089 Hbd 7096.23MPaHY0.250.751Y b/hY0.250.751Y b/hKFKAKVKFKFKYFa12.18,YFa2Fsa11.85,Fsa2Flim1600MPa,Flim2450MPaSFmin1.25YN10.91,YN2YXF6000.911SFFlim2YN4500.991FSFFY25.6953.082.181.850.650.11MPa2KT1Fa1sa170200bd10.112.071.960.11MPaYFa2FsaF F1FFa12-12根据(GB/T10952003,GB/T1096--2003)规定,选用181150的键，键的材料是钢,取p 根据(GB/T10952003,GB/T1096--2003)规定,选用181150的键，键的材料是钢,取p P4 6.73MPapp 7010311103(509)2.4水平部分捕能创新研究与技术关2-13R1R2，lR1R2，l；；2-142-15180止波浪过大时旋转架受力过大而产生一定的变形量从而使挡板张角大于160大转架直径立柱高度小转架直径180止波浪过大时旋转架受力过大而产生一定的变形量从而使挡板张角大于160大转架直径立柱高度小转架直径圆心距离3m装置重量 3.1基于波浪运动不定时变化的偏3.1基于波浪运动不定时变化的偏航控制创新设Cortex-M3STM32F（32）AVRATMEGA328P3-1Arduino，1210AD，I/O3-23-23.2偏航控制系统技术指3-3ARDINO3.2偏航控制系统技术指3-3ARDINO3-4STM323-53-6PCB3D3-7PCB3D212ADC、1PWM2SPI，2IIC、3USART、3-8芯片引脚图ATMEGA328PAVR（R）8RISC构。13132828116810ADC610ADC。具有可编程的串行USART、主/从SPI。。STM32F3-93.3控制机械系统精确偏3.4基于潮汐3.3控制机械系统精确偏3.4基于潮汐变化的自适应制动控制创新设3.5自适应控制系统技3.5自适应控制系统技术指3-11MS5803-14BA本章小结本章主要基于本章小结本章主要基于4.1发电装置关键零件的设计与静强度校4.1发电装置关键零件的设计与静强度校4-1（4-沿-x向（波谷）的圆柱上的总波浪力（（4-沿-x向（波谷）的圆柱上的总波浪力（4-作用在圆柱上的总波浪力矩出现最大压应力的地方出现在支撑立柱与海床表面接触的位置，其大小为（4-可以根据支撑立柱的尺寸及材料进行强度校核：我们选用空心圆柱作为支柱则有：，其。4-2立柱应力4.1.2齿轮盘支架的应力计齿轮盘支架建立在平台上，主要为齿轮盘提供轴支撑，故整个齿轮盘支架为压缩与弯曲组合变形轴力为（4-其产生的压应力为（4-组合变形轴力为（4-其产生的压应力为（4-故，同样其最大应力处位于支撑架与下平台接触的根部如图4-3所示（4-图4-3齿轮盘支架应力分4.1.3滑杆的切应力计滑杆在导杆作用下，受有导杆向上的冲击作用，直线轴承对其有剪切作用，如图4-4为杆的受力云图，其应力为。4-4静强度分挡板的两端处为两转架竖直转轴如图4-54-5挡板的两端处为两转架竖直转轴如图4-54-54-6转架应力4.1.6转盘基4-6转架应力4.1.6转盘基座的静强度CAE转盘基座位置受力较为简单，承受有转盘、转架及齿圈的重力，还有转架阻尼矩。进CAE仿真时，进行整体约束，并对上下基面施加相应的约束条件、网格划分、施加载荷，算，并输出应力分布云图和变形位移云图其应力云图如4-7，由下图可以看出，在转盘基座下面的中心处有应力集中现象，尤其是在下平面建立的上表面支撑处4-7转盘基座设计4-84.2竖直方向结构运动仿4-84.2竖直方向结构运动仿ADAMS软件包括核心模块ADAMS/View和ADAMS/Solver优化设计、x-y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。ADAMS/Solver4-9给浮箱输入运动方程，输出下平台发电机的角速度变化曲线如图4-10。4-9给浮箱输入运动方程，输出下平台发电机的角速度变化曲线如图4-10。4-10运动副的创建如图运动副的创建如图4-13旋转运动副4-144-154.3水平方向4-154.3水平方向结构运动仿4-16运动副的创建如下图4-174-4-19添加摩擦力运动副的创建如下图4-174-4-19添加摩擦力4-20平移运动副4.4流场分析模型建立与数值模4.4流场分析模型建立与数值模ANSYS14.5Fluent4-22Gambit受入流条件的影响程度，并将挡板结构简化为单体结构，建立三维立体简化模型，在中建立线性波模型计算处理[4]4-234-23出口设为4-254-264-254-26本文中结构物的D/L=0.005式造波，由于式造波，由于4-27求解运算[5]4-284-284-29流场X-Y4.4.7影响系数分将单柱放置在水池Z=4m（水4.4.7影响系数分将单柱放置在水池Z=4m（水槽模型z尺寸为8m）处，流场计算过程中FLUENT测到的是在立柱周围流速最大值的大小，为了得到推动浮筒上下浮动的能量最大值，可对其行转化（视为分子能量最大值即可利用分子动能公及单位水分子数计算出能值本装置中，对波浪数值水池进行验证时，得到两种情况的模型结果，第一种情况，将仅立柱的速度峰值结果作为参照，设为V0；第二种情况作为试验组，同理，将立柱周围速度值结果记录下来，设为V1由此设立结构体影响系数，即α=（V0-V1）/V1实验验证了本文波浪数值模拟的正确性，数值模拟的水平速度曲线如图4-30所示，在柱所在位置的z=4m位置取截面，得到速度最大值。通过七种合页挡板位置不同的结构体行模拟分析处理，得出如图4-31所示的流速影响规律，即在半径为2m以后流速趋于稳定换言之，2m以后对中间立柱的速度影响最小（在挡板尺寸不变情况下，挡板尺寸0.3m*0.6m，且高度位置稳定与中间平面图4-30截面速度最大图4-31半径变化对速度峰值影响规图4-31中波峰处的波幅比理论图4-31半径变化对速度峰值影响规图4-31中波峰处的波幅比理论波幅要大一点，这是由于推波板的干扰造成的，离推板越远，这种现象会逐渐消失;波谷处的水质点水平速度小于波峰处，这主要是因为数值模过程中考虑了水平面以下流体的黏性作用，而求解理论值时认为液体是无黏性的4-1影响系数趋势表4-1是外围结构体对立柱影响系数的变化趋势，单柱放置时，速度峰值达到由于外围挡板有遮蔽效应导致对立柱的影响系数随着距离的增大而减小，在半径为2.0m于稳定，稳定的影响系数值接近于0.41。由于抑制效应起主要影响作用，在半径不当外围结构体旋转时，速度在允许范围内对立柱影响变化区间为0-10%结合本装置挡板部分伸出距平台支柱的距离在2m左右，根据上表影响系数趋势表，影系数α取值在0.41附近，则δ=1-0.42=0.59。而上文第四章中，我们选取的效率影响系数=0.6，其在变化区间0-10%间，因此将对第五章结果加以验证半径1影响系数4.5双向式波浪4.5双向式波浪能高效捕能发电装置实物模型制4-33本章小结本章小结性；通过5.1竖直方向的效率分析及其计发电装置竖直方向的能量转换5.1竖直方向的效率分析及其计发电装置竖直方向的能量转换过程分为三个部分：一级转换波浪能---机械能：在纯垂和三级转换(机械能---电能)。一级转换主要是浮子部分吸收能量，二级转换是指浮子吸收的量通过机械传动方式传递的过程；三级转换是通过机械传动方式输出的机械能转换成电能输的过程。波浪能发电装置的整机理论转换效率取决于这三级分别各自的转换效率，设发电装的整机理论转换效率为（5-式中 为一级转换效率为二级转换效率为三级转换效率5.1.1一级转换效率的计根据海浪线性波动理论，在线性波中波浪是单一频率并且没有运动变化。浮子海水中运动，根据海洋的实际情况，用海理论对一级转换效率进行计算。如前所述根据青岛小麦岛海域的实际波浪数据统计设定波浪周期T=6s，波高H=0.6m来进相关计算5-1波动势能分析波浪能量的计算目前对波浪的能量进行计算是采用线性波动(小振幅波动)理论，对简单的波动波浪，其显著的特点是任意一点上的波面都是随着时间呈现出简谐形式的显著的特点是任意一点上的波面都是随着时间呈现出简谐形式的起伏，并且各个点上的振动率都是相同的[3]当海水中发生波动时，水质点具有速度，因此便具有动能。波浪的起伏，流体的位置也时刻刻发生变化，使其重心位置发生了变化，因此也具有了波动势能。当计算波动势能时，先设定一个势能为零的参考波面，发生波动时流体相对于这个势能为零的参考波面的势能减没有发生波动时流体相对于这个势能为零的参考波面的势能就是波动势能，并且计算波动势时，一般都取一个波长λ的范围进行计算，因为对于简单的波动，一个波长λ范围内的流量都是不发生变化的浮子振荡能量的计算假设流体为理想的不可压缩的均质无粘性流体，水流的运动是无旋的，流体上的质量力仅为重力，合海浪理论和微幅波理论，可以得出深水二维的波动能与波动势能，图5-2为振荡浮子能量计算示意图（5-其中，为海水密度，为波浪振幅，其中H为波高则一个波长范围内波动总能量E图5-2振荡浮子能量计算示意（5-（5-而根据线性波动中二维水深的推进波，其波周期T与波长λ的关系为（5-当浮子与波浪共振时，纯振荡系统的总能量Ez为其起伏系统动能与势能之和，即（5-其中m为起伏系统质量mZ为由起伏运动激励产生的附加质量，对于垂直圆柱浮体有（5-（5-其中m为起伏系统质量mZ为由起伏运动激励产生的附加质量，对于垂直圆柱浮体有（5-AWP为浮体水面截面积，对于垂直圆柱形浮子即为（5-Z0为运动振幅，故垂直运动系统的一级转换效率为（5-一级转换效率根据波浪能转换技术的理论，一级转换效，可得5.1.2二级转换效率的估表5-各种传动形式的传动效传动形传动效单向轴20.94-直线导轨轴2圆柱齿40.9-球轴4波纹联20.99-锥齿4球轴承、联轴器等部件组成，并实现能量传递。这些零部件工作时，不可避免的会发生一些械损失，对机械传动的效率会有所影响。如图5-3为二级转换轴承、齿轮图，查阅国家机械计手册，确定各个零部件的常规机械传动理论效率，单向轴承0.99；圆柱齿轮传动0.99齿轮传动0.99；球轴承0.99；直线导轨轴承0.98；波纹联轴器0.995。可以估算出整个机传动部分的传动效率图5-3二级转换轴承、齿轮5.1.3三级转换效率的选本作品设计的波浪能发电装置通过第二级转换系统把波浪能转换成机械能，再通过第三发电机不仅仅直接影响整个第三级输出系统的性能、效率和输出电能的质量，同时也关系到二级转换系统的工作方式、部件结构和工作效率本作品设计的波浪能发电装置是一台独立工作的置，并且输出电功率不需要很大，因此选用独立运行发电机。独立运行的发电机通常容量较小，与蓄电池功率变换器配合实现直流电和交流电的持续输出。通过控制发电机的励磁功率变换器配合实现直流电和交流电的持续输出。通过控制发电机的励磁、转速和功率变换可以产生恒定电压的直流电或者恒定电压和恒定频率的交流电。根据上述发电机的分类和点，本文设计的波浪能发电装置初步选用的发电机的类型为独立运行的直流发电机5-2发电机铭产品规输出电最大输出电最大负载功工作效5v-选用的发电机的效率为90％，因此，本装置的三级转换效=90％振荡浮子式波浪能发电装置的整机效率为装置三部分的效率乘积，的值代5-1中，可以得到图5-4浮子振幅随波高周期变化分析5.2水平方向的效率分析及其计其根据D/L和H/D二参数的不同组合可以划分5.2水平方向的效率分析及其计其根据D/L和H/D二参数的不同组合可以划分为4个区域，其中当D/L>0.15且或者当D/L<0.15且H/D<1.0时，可以不考虑绕射影响，运用莫里森方程进行计算[6-7]根据本装置的适用海域及本身参数有波波浪周挡板宽挡板高波浪波而H/D=0.6/1.5=0.4<1.0,D/L=3/56≈0.054<0.15，故可以利用莫里森方程进行计算由莫里森方程可知，图4-5为水平方向转架结构图单位长度上的速度力极值为（5-单位长度上的惯性力极值（5-图5-水平方向转架结构上式中，Cd为速度力系数，Cm为惯性力系数，ρ为海水密度，取为1.025g/cm2;k数为2π/L；d为物体浸没深度查我国海港水文规范（1998，取Cd=2.0,Cm=2.2,则上式有此时属于Fimax<0.5Fdmax查我国海港水文规范（1998，取Cd=2.0,Cm=2.2,则上式有此时属于Fimax<0.5Fdmax，最大波浪力出现，此时该挡板正处于最大有效浪面积处。即折算到最大挡板面上时的波浪力为0.272kN假定当水平转动系统长时间处于波浪场中，其速度趋近于波浪的流速v在一个周期内，挡板在最大展开面积时对应最大功率，为：P=fv=2536W则一个周期有效功率可以近似为正弦变化，单宽波峰入射的波能流Pw（5-故水平能量方向捕能效率为发电效率故水平方向波浪发电效率为5.3竖直与水平方向结合的整体效率分析及其计定义一右手坐标系oxyz来研究三维结构与波浪相互作用的问题，如右图，x-y平面平均水面，x轴正方向为波浪入射方向，z直向上为正。定义：物体表面为SB，自由水面SF，水平海底为SD。假定流体为无粘、不可压缩、无旋的理想流SF，水平海底为SD。假定流体为无粘、不可压缩、无旋的理想流体，则存在速度势满足拉SB（5-（5-本章小结6.1发电装置波流水槽实验分6.1.1不同负载阻值下的电力变化曲为了模拟本装置在波浪中的运动及发电情况，本作品6.1发电装置波流水槽实验分6.1.1不同负载阻值下的电力变化曲为了模拟本装置在波浪中的运动及发电情况，本作品首先建立数字模型，通过利用数值拟，计算出不同条件下装置的发电效率；利用波水槽（主要用于海工教学中波浪参数测量实验、浪对圆柱的作用力试验、波流荷载作用下海洋结物模型动力响应试验、立管涡激振动试验、波浪16m*0.8m*1.4m，最大水深1.0m，能造规则波不规则波，能双向造流，最大流速0.7m/s图6-波流水表6-1实验装置的基本尺寸参说符选取单浮子质浮子高挡板长挡板高挡板厚挡板距浮子半挡板质6-2在15Ω6-46-2在15Ω6-415Ω6-56-530Ω6-56-530Ω到最大发电功率为12.62W，而根据推导公式计算选取的发电机功率为12W6-66-2浮子振幅最大接收功率竖直方向发电效率6-2浮子振幅最大接收功率竖直方向发电效率6-3周波最大波浪挡板接收最大有水平方向发电效6-4周波竖直方向发电效率水平方向捕能效总体发电效6-3周波最大波浪挡板接收最大有水平方向发电效6-4周波竖直方向发电效率水平方向捕能效总体发电效6.2发电装置主要参数无量纲分析及计6.2发电装置主要参数无量纲分析及计F=ma，则有[F]=[m][a]=MLT-2当表6-5浮子式海浪发电装置变量量纲符量功浮子直浮子排水体浪波浪周海水密表6-5浮子式海浪发电装置变量量纲符量功浮子直浮子排水体浪波浪周海水密消去方程组中a，d，e三个变量，则所以有合并指数相同的各项，得到变量的无量纲组写成一般函数关系式的形式，则这样我们用三个无量纲变量组合代替了原来六个有量纲变量，显然简化实验，式中的变本作品采用国内波浪能发电装置广泛采本作品采用国内波浪能发电装置广泛采取的模型尺寸与实际海况下尺寸比例1:9，水槽验采用波浪周期与选定装置应用海况周期之比为1:3，根据上述无量纲公式，可得出与实际应用海况的相似系数在模型试验中，通过示波器测定竖直方向与水平发电机的发电功率分别为3.06W，1.13W，则装置的模型整机功率为7.29W，乘以相似系数计算后的实际海况的功为15.94KW，与预期整机发电功率15KW型波浪能发电功率相符6.3发电装置实际海况下实验分我们将本装置运到青岛附近的银沙滩进行试验，试验过程中发现，模型是按1：9的比等比例缩小的，而海水的波高和周期与试实验室可控的波浪参数存在较大差别。波高我们可通过移动装置的位置进行调节，选择合适的位置（波高0.2m处）进行实验，但是波浪周期法控制，经过测量所选海域的波浪周期为8.3s，而本模型效率最高时的波浪周期为1.5s差较大，装置只能吸收波浪一小部分能量，不能实现连续收集。但是通过对单波的能量捕获分的