双浮筒式波浪转换装置的设计与研究

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海洋波浪蕴藏着巨大的能量,利用波浪进行发电既经济有效,又不消耗任何资源和燃料,而且不占用任何土地,合理地开发和利用波浪能具有重大的实用价值,因此已经成为现阶段海洋新能源研究和开发的热点。漂浮式波能装置作为海洋波浪发电装置的一种,小巧廉价投放位置灵活,削弱了对海域条件的严格要求,世界各国已将其视为未来波浪能发电技术的发展重点。本文针对小型漂浮式波能装置,提出一种双浮筒浮体和阻尼竖版构成的波浪能转换装置,开展对双浮筒式波能装置发电技术的研究,通过仿真和样机实验的方法探究了装置的俘能特性和发电可行性。本文首先介绍了波浪基本理论,分析了基于浮体横摇运动的波浪转换装置的运动机理,并根据微幅波理论以及耐波性原理,建立了浮体在波浪中横摇运动的数学模型。针对利用浮体横摇的波能装置,本文提出了一种可应用于近海低海况的新型双浮筒式波浪能转换装置。装置结构由水面双浮筒浮体和水下竖直阻尼板构成,双浮筒浮体随波浪做横摇运动而水下阻尼板由于受到水阻力几乎不动或微幅摆动,装置则依靠两者不同的运动响应而产生的相对转动将捕获的波浪能转换为旋转机械能并加以利用。在假定阻尼板保持不动的前提下将装置模型简化为“双浮筒浮体+PTO系统”并以此分析,假设PTO系统是线性的,建立了浮体在波浪中运动的数学模型,并以旋转阻尼器的等效旋转阻尼系数为PTO系统选型因素,基于FLUENT软件分析了不同工况下浮体的运动载荷及装置的平均发电功率,并对比了0°、5°、10°、15°四种攻角下浮体的水动力性能,从仿真分析结果表明当PTO等效旋转阻尼系数为9s-1时,装置具有最大平均输出功率为28.6W。针对装置在低功率密度低海况工作的特性,确定了PTO系统的机械传动方式,发电系统包括换向齿轮箱、增速器、联轴器、发电机等部分。考虑浮体的横摇运动的特征,设计了一种“双向变单向”的齿轮箱作为PTO系统的输入端,将输入轴的双向转动转换为输出轴的单向转动以便利用。按设计要求对齿轮箱的齿轮组进行了参数设计并通过齿面接触强度和轮齿弯曲强度完成了强度校核。基于ADAMS软件完成了换向齿轮箱和增速箱的仿真及优化,确定了增速器的传动比为35:1时满足发电机的工作要求。对双浮筒式波浪能转换装置开展样机制作及实验研究。根据结构及强度设计要求,完成装置的样机模型制作,样机实验则采用无水实验台和简易水池两部分完成。首先,通过搭建的一套无水波浪发电实验系统平台,对双浮筒式波浪能转换装置在定海况条件下开展发电实验研究;其次,样机在简易水池中完成了水池实验,结果表明,装置在低海况条件下具备了一定的发电可行性及工作能力。
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