【摘 要】
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传统远洋浮标采用蓄电池供电,少部分采用太阳能、风能供电,海洋环境不稳定性导致装置不能实现长效稳定供电,现今出现的振荡水柱波浪能发电装置为涡轮发电,涡轮装置多为金属结构,在海洋潮湿环境中,使用寿命大大缩短。本文提出基于介电弹性体漂浮式振荡水柱发电装置模型,波能采集装置为浮体,可投放在远洋、近岸,环境适应性较强;发电装置为介电弹性体薄膜,可承受大变形,耐冲击性强,可适应恶劣的海洋环境。基于微振幅波理论
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传统远洋浮标采用蓄电池供电,少部分采用太阳能、风能供电,海洋环境不稳定性导致装置不能实现长效稳定供电,现今出现的振荡水柱波浪能发电装置为涡轮发电,涡轮装置多为金属结构,在海洋潮湿环境中,使用寿命大大缩短。本文提出基于介电弹性体漂浮式振荡水柱发电装置模型,波能采集装置为浮体,可投放在远洋、近岸,环境适应性较强;发电装置为介电弹性体薄膜,可承受大变形,耐冲击性强,可适应恶劣的海洋环境。基于微振幅波理论,求解水柱底部相对压强,对水柱受力分析,求解在相对压强、气室相对压强、自身重力以及线性水力损失作用下水柱运动方程;对浮体受力分析,求解在波浪力、阻尼力、气室相对压强以及自身重力作用下浮体运动方程。基于弗汝德—克雷洛夫假定法、绕射理论对三种浮体模型仿真分析,得到不同波浪参数浮体所受波浪力、浮体运动的辐射阻尼、浮体附加质量。建立水柱、浮体Simulink运动模型,分析在不同参数下水柱与浮体相对位移。取气室半径r=0.1m,气室高度ha=0.3m,Co=147Pa·(m3)1.4,求解水柱与浮体相对位移、薄膜形变作用下气室体积变化。根据气体状态方程,求解气室相对压强,该压强驱动薄膜形变,建立气室压强、薄膜顶端位移联合方程,得到气室压强、薄膜顶端位移与波浪参数关系。建立介电弹性体薄膜均匀形变模型,将介电弹性体等效为平行板电容器,本文采用恒电荷循环发电方式,求解薄膜原始状态与形变状态下电容大小,求解单次拉伸介电弹性体薄膜发电量,分析薄膜参数对发电量的影响。选取最优薄膜参数,当薄膜预拉伸前半径r0=6cm,厚度δ0=0.1mm时,薄膜发电效果最好。分析在不同波浪参数下,一个波浪周期内波浪具有的波浪能和三种装置模型发电量大小,求解在不同波浪参数下三种装置能量转换效率大小。结果显示:当波浪高度H=0.3m,周期T=6s时,圆盘形装置波能转换效率η=0.51%,圆锥形浮体波能转换效率η=0.63%,圆柱形浮体波能转换效率η=1.2%。为远洋浮标装置长效稳定供电提供理论依据。搭建压强驱动介电弹性体发电实验平台,活塞位移代替水柱与浮体相对位移,分析不同活塞位移下介电弹性体薄膜顶端位移、气室压强以及输出电压,为基于介电弹性体漂浮式振荡水柱发电装置提供实验依据。
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