海洋浮標(biāo)波浪能供電裝置設(shè)計研究.pdf

1、波浪能是海洋能源中蘊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,而其中一些計劃的成功實施,有力地推動了波能轉(zhuǎn)換的技術(shù)進(jìn)步及其在世界范圍內(nèi)的競爭力。同時也結(jié)合中國海洋的實際情況分析了波浪能研究和利用的發(fā)展目標(biāo)和方向,指出我國波浪能利用對于沿海地區(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,通過齒輪機構(gòu)與發(fā)電機相連,另一端連接雙向葉輪。裝置中葉輪、轉(zhuǎn)軸、齒輪、發(fā)電機順序連接,利用葉輪將波浪能的重力勢能轉(zhuǎn)化為葉輪的動能,葉輪通過旋轉(zhuǎn)帶動內(nèi)部齒輪轉(zhuǎn)動,齒輪將此機械能傳遞至發(fā)電機的齒輪上,實

3、現(xiàn)機械能轉(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。
　　在所設(shè)計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)計的波浪能發(fā)電裝置所供電的設(shè)備——ARGO浮標(biāo)的工作運動情況,即上浮、下潛、海面漂浮及海底靜止四個狀態(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)四種運動狀態(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)上浮或下潛過程中由相對運動產(chǎn)生的入口壓力P1=5MPa,在隨波浪運動時產(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。通過與波浪能發(fā)電裝置模型的實際實驗,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Gambit建模及Fluent軟件的模擬計算,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)部流場中隨浮標(biāo)運動葉片受力等特性參數(shù),驗證了所設(shè)計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)計強度提供了參考依據(jù)。
　　葉輪在正常工作中的受力及材料疲勞強度情況,是決定本設(shè)計裝置能否運行的重要因素。通過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,通過模擬計算,得到葉輪所受的壓力、變形和安全系數(shù)等參數(shù)。通過計算得到,當(dāng)波浪浪高到達(dá)10m時,即波浪進(jìn)入套筒的速度達(dá)到14.14m/s時,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)計的葉輪式波浪能發(fā)電裝置在我國沿海地帶能夠安全的運行。
　　本設(shè)計的海洋波浪能發(fā)電機構(gòu)是一個由多級變速傳動的齒輪系統(tǒng)組成的,作為機械傳動中重要的一種傳動形式,齒輪傳動具有形式多,應(yīng)用廣的特點。波浪能發(fā)電機構(gòu)靠海水波浪的

7、上下勢能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機的電能,運轉(zhuǎn)速度不高,故齒輪選七級精度(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)),硬度分別對應(yīng)為240HBS與280HBS,硬度差值為40HBS。從齒面接觸強度和齒根彎曲強度兩方面計算齒輪的模數(shù),模數(shù)m=1.5,最后用ADAMS計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。波浪能作