海洋浮標(biāo)波浪能供電裝置設(shè)計(jì)研究.pdf

1、波浪能是海洋能源中蘊(yùn)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(shù)已趨于成熟,正在進(jìn)入或接近于商業(yè)化發(fā)展階段。本文針對(duì)海洋波浪能發(fā)電技術(shù)的基本原理、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等作了全面綜述,介紹了國(guó)內(nèi)外海洋波能發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展和主要波能裝置,而其中一些計(jì)劃的成功實(shí)施,有力地推動(dòng)了波能轉(zhuǎn)換的技術(shù)進(jìn)步及其在世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)也結(jié)合中國(guó)海洋的實(shí)際情況分析了波浪能研究和利用的發(fā)展目標(biāo)和方向,指出我國(guó)波浪能利用對(duì)于沿海地區(qū)

2、海洋資源的開發(fā)和遠(yuǎn)離大陸海島的發(fā)展有著十分重要的意義.
　　本文主要設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)包括中空浮子,以及與浮子相連的套筒,套筒中設(shè)有兩組發(fā)電結(jié)構(gòu)組件,每組結(jié)構(gòu)組件一端伸入中空浮子,通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)與發(fā)電機(jī)相連,另一端連接雙向葉輪。裝置中葉輪、轉(zhuǎn)軸、齒輪、發(fā)電機(jī)順序連接,利用葉輪將波浪能的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為葉輪的動(dòng)能,葉輪通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)內(nèi)部齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪將此機(jī)械能傳遞至發(fā)電機(jī)的齒輪上,實(shí)

3、現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)緊湊,耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。
　　在所設(shè)計(jì)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(duì)波浪能的吸收轉(zhuǎn)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(jù)本設(shè)計(jì)的波浪能發(fā)電裝置所供電的設(shè)備——ARGO浮標(biāo)的工作運(yùn)動(dòng)情況,即上浮、下潛、海面漂浮及海底靜止四個(gè)狀態(tài)下所受的壓力情況,利用流體力學(xué)分析軟件Flue

4、nt,根據(jù)ARGO浮標(biāo)四種運(yùn)動(dòng)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(biāo)上浮或下潛過(guò)程中由相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的入口壓力P1=5MPa,在隨波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(jìn)行模擬計(jì)算,得到葉輪上轉(zhuǎn)化的波浪能功率與入口壓力的比率。通過(guò)與波浪能發(fā)電裝置模型的實(shí)際實(shí)驗(yàn),得到波浪能供電裝置中葉輪吸收波浪能

5、的相關(guān)葉片性能之間的關(guān)系。通過(guò)Gambit建模及Fluent軟件的模擬計(jì)算,得到葉輪的壓力云圖與徑向力、力矩。選取的3組仿真結(jié)果直觀的反映了在葉輪內(nèi)部流場(chǎng)中隨浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)葉片受力等特性參數(shù),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)供電裝置的可行性并為浮標(biāo)用葉片式波能供電裝置葉輪的葉根設(shè)計(jì)強(qiáng)度提供了參考依據(jù)。
　　葉輪在正常工作中的受力及材料疲勞強(qiáng)度情況,是決定本設(shè)計(jì)裝置能否運(yùn)行的重要因素。通過(guò)ANSYS有限元分析軟件,分別選取在正常工作中2m、5m、10m三中不

6、同浪速下,通過(guò)模擬計(jì)算,得到葉輪所受的壓力、變形和安全系數(shù)等參數(shù)。通過(guò)計(jì)算得到,當(dāng)波浪浪高到達(dá)10m時(shí),即波浪進(jìn)入套筒的速度達(dá)到14.14m/s時(shí),葉輪的最大應(yīng)力為653.7 MPa,安全系數(shù)為1.28。所以本文所設(shè)計(jì)的葉輪式波浪能發(fā)電裝置在我國(guó)沿海地帶能夠安全的運(yùn)行。
　　本設(shè)計(jì)的海洋波浪能發(fā)電機(jī)構(gòu)是一個(gè)由多級(jí)變速傳動(dòng)的齒輪系統(tǒng)組成的,作為機(jī)械傳動(dòng)中重要的一種傳動(dòng)形式,齒輪傳動(dòng)具有形式多,應(yīng)用廣的特點(diǎn)。波浪能發(fā)電機(jī)構(gòu)靠海水波浪的

7、上下勢(shì)能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的電能,運(yùn)轉(zhuǎn)速度不高,故齒輪選七級(jí)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(diào)質(zhì))與40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度分別對(duì)應(yīng)為240HBS與280HBS,硬度差值為40HBS。從齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度兩方面計(jì)算齒輪的模數(shù),模數(shù)m=1.5,最后用ADAMS計(jì)算了齒輪軸的受力大小,便于后期進(jìn)一步的選材和軸承壽命計(jì)算等。
　　21世紀(jì)是海洋世紀(jì),人類向大海索取資源已成為必然趨勢(shì)。波浪能作