海洋浮標波浪能供電裝置設計研究.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)利用技術已趨于成熟,正在進入或接近于商業(yè)化發(fā)展階段。本文針對海洋波浪能發(fā)電技術的基本原理、能量轉換系統(tǒng)等作了全面綜述,介紹了國內外海洋波能發(fā)電技術的進展和主要波能裝置,而其中一些計劃的成功實施,有力地推動了波能轉換的技術進步及其在世界范圍內的競爭力。同時也結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)和遠離大陸海島的發(fā)展有著十分重要的意義.
　　本文主要設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。其結構包括中空浮子,以及與浮子相連的套筒,套筒中設有兩組發(fā)電結構組件,每組結構組件一端伸入中空浮子,通過齒輪機構與發(fā)電機相連,另一端連接雙向葉輪。裝置中葉輪、轉軸、齒輪、發(fā)電機順序連接,利用葉輪將波浪能的重力勢能轉化為葉輪的動能,葉輪通過旋轉帶動內部齒輪轉動,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,結構緊湊,耐沖擊等優(yōu)點。
　　在所設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)本設計的波浪能發(fā)電裝置所供電的設備——ARGO浮標的工作運動情況,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,利用流體力學分析軟件Flue

4、nt,根據(jù)ARGO浮標四種運動狀態(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上浮或下潛過程中由相對運動產生的入口壓力P1=5MPa,在隨波浪運動時產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進行模擬計算,得到葉輪上轉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、的相關葉片性能之間的關系。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組仿真結果直觀的反映了在葉輪內部流場中隨浮標運動葉片受力等特性參數(shù),驗證了所設計供電裝置的可行性并為浮標用葉片式波能供電裝置葉輪的葉根設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,當波浪浪高到達10m時,即波浪進入套筒的速度達到14.14m/s時,葉輪的最大應力為653.7 MPa,安全系數(shù)為1.28。所以本文所設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。
　　本設計的海洋波浪能發(fā)電機構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,應用廣的特點。波浪能發(fā)電機構靠海水波浪的

7、上下勢能轉換為發(fā)電機的電能,運轉速度不高,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(調質)與40Cr(調質),硬度分別對應為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,便于后期進一步的選材和軸承壽命計算等。
　　21世紀是海洋世紀,人類向大海索取資源已成為必然趨勢。波浪能作