【摘 要】
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对海洋的探索与开发是现代及未来的重要发展方向,现代海洋科学研究中,为了获取更为全面实时的海洋数据信息,海洋信息的监测必不可少。海洋浮标作为简单可靠的海洋监测平台,其在海洋监测中的地位无法替代。先阶段海洋浮标多采用蓄电池供能,自供能技术研究进展缓慢,没有适合的自供能系统为对海洋浮标提供保障,本文将纳米发电引入波浪能利用中,设计一种微纳低频波能转换装置,拟定安装于HSQXFB型海洋浮标内完成其自供电设
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对海洋的探索与开发是现代及未来的重要发展方向,现代海洋科学研究中,为了获取更为全面实时的海洋数据信息,海洋信息的监测必不可少。海洋浮标作为简单可靠的海洋监测平台,其在海洋监测中的地位无法替代。先阶段海洋浮标多采用蓄电池供能,自供能技术研究进展缓慢,没有适合的自供能系统为对海洋浮标提供保障,本文将纳米发电引入波浪能利用中,设计一种微纳低频波能转换装置,拟定安装于HSQXFB型海洋浮标内完成其自供电设计,并探究其水动力及能量输出特性。本文首先介绍了 HSQXFB型浮标-微纳低频波能转换装置的总体结构,利用CFD软件对HSQXFB型浮标-微纳低频波能转换装置在波浪下的水动力特性进行研究,建立了浮标-波能装置的水动力模型,完成对模型网格模型、网格大小和时间步长的收敛性验证依据浮标-波能装置的预设工作海况,构建多组模型以改变不同波浪高度和波浪周期,研究不同波浪参数下浮标-波能装置的运动响应,分析波浪参数对于浮标-波能装置垂荡幅值的影响,得到浮标-波能装置水动力特性。然后建立了摩擦纳米发电机的能量输出计算模型,完成了二维平面滑动摩擦纳米发电机能量输出模型,探究外接电阻、运动幅值等参数对于该模型的输出性能的影响;利用适合的建模方法完成了三维内置柱式摩擦纳米发电机能量输出模型,研究同位移下不同电极尺寸、不同电极长度和电极内半径等影响因素对于输出特性的影响,确定了柱式摩擦纳米发电机设计参数及其在微纳低频波能转换装置排列方式。最后研究海洋浮标-微纳低频波能转换装置能量输出特性。构建内置柱式摩擦装置相对运动求解方法,计算柱式摩擦纳米发电机内部质量块的运动响应;利用柱式摩擦纳米发电机的输出效率计算方法,计算微纳低频波能转换装置在不同波浪条件下的输出结果,分析不同波浪条件对于装置输出效率的影响,讨论目标海况下装置的输出功率和俘波宽度比,发展微纳低频波能转换装置的能量输出特性。本文对微纳低频波能转换装置的研究,为解决HSQXFB型浮标的长期工作自供电问题提供了可靠的方案,同时也为解决其他海洋工作平台的自供电问题提供了依据和参考。
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