振荡浮子式波浪能发电装置的设计及功率计算分析

【摘要】：波浪能是海洋能中品质比较高的一种能源，对其进行研究、开发和利用对实现能源的可持续发展、满足人类对能源的需求具有十分重要的战略意义。 本文首先分析了国内外波浪能发电技术的研究现状，并对一些常见的波浪能发电装置进行了总结，对其工作原理及优缺点进行了对比分析，在此基础上，根据我国的实际海况，设计了一种基于海洋平台的振荡浮子式波浪能发电装置，该装置的大部分零部件均处于密封的海洋平台上，可以有效地避免零部件被海水腐蚀。另外，装置采用双面齿条作为传动机构，可以较大限度地提高对波浪能的利用率。 （1）设计了一种振荡浮子式波浪能发电装置，并对其工作原理进行了分析。结构设计包括传动部件设计，海洋立柱设计以及工作平台设计，装置的大部分零部件均处在密封的海洋平台中，可以较好的避免被海水腐蚀。 （2）根据微幅波理论的相关知识，建立了波浪中水质点运动的数学模型，根据所建的数学模型对水质点的速度和加速度的运动规律进行了研究，并求出了水质点的运动轨迹方程，同时，也对波浪的压强和波能的数学表达式进行了推导分析。 （3）对垂直圆柱形浮体在波浪中的受力进行了分析，建立了浮体运动的微分方程，并采用量纲分析方法推导出了浮体的附加质量、辐射阻尼系数以及粘滞阻尼系数的数学表达式，用Matlab对不同尺寸浮体的运动微分方程进行了求解，根据求解结果对浮体结构进行了优化。 （4）利用弗汝德-克雷洛夫假定法分析了垂直圆柱形浮体所受的垂直波浪力，确定了浮体的半径、吃水深度等基本几何参数，计算了浮体的能量吸收率，并建立了发电机输出功率的数学模型，对发电机的输出功率进行了计算分析。 （5）通过动力学分析软件ADAMS对发电装置的传动部件进行了动态仿真分析，验证了理论分析的正确性，为物理样机的建立奠定了基础。 【关键词】：波浪能 振荡浮子 微幅波理论 垂直波浪力 功率
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM612;P743.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-23
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 国外研究动态11-13
• 1.2.2 国内研究动态13-15
• 1.3 常用波浪能转换装置15-22
• 1.4 本课题的研究内容22-23
• 2 振荡浮子式波浪能发电装置结构设计23-37
• 2.1 波浪能的转换23-24
• 2.1.1 第一级转换23
• 2.1.2 中间转换23-24
• 2.1.3 第三级转换24
• 2.2 方案设计24-28
• 2.2.1 结构简图24
• 2.2.2 工作原理24-26
• 2.2.3 传动装置结构设计26-27
• 2.2.4 立柱设计27-28
• 2.2.5 工作平台设计28
• 2.3 运动特性分析28-36
• 2.3.1 浮体受力分析28-30
• 2.3.2 浮体位移函数30-31
• 2.3.3 浮体运动特性分析31-36
• 2.4 本章小结36-37
• 3 微幅波理论37-49
• 3.1 微幅波理论的基本方程37-39
• 3.2 推进波的势函数39-42
• 3.3 波浪运动特性42-45
• 3.3.1 水质点运动速度和加速度42-43
• 3.3.2 水质点运动轨迹43-45
• 3.4 压强和波能45-48
• 3.4.1 压强45-46
• 3.4.2 波能46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 4 浮体受力分析49-60
• 4.1 数学模型49-51
• 4.1.1 浮体的垂直加速度49
• 4.1.2 浮体所受浮力49-50
• 4.1.3 浮体所受阻尼力50
• 4.1.4 浮体的运动微分方程50-51
• 4.2 量纲分析51-54
• 4.2.1 附加质量52-53
• 4.2.2 辐射阻尼系数53-54
• 4.2.3 粘滞阻尼系数54
• 4.3 数值求解及分析54-58
• 4.4 本章小结58-60
• 5 浮体所受垂直波浪力及发电机输出功率60-75
• 5.1 弗汝德——克雷洛夫假定法60-61
• 5.2 浮体上的波浪力分析61-63
• 5.3 波浪力计算63-70
• 5.3.1 浮体参数设计63-66
• 5.3.2 波浪力幅值、浮体起伏位移与吃水深度的关系66-68
• 5.3.3 浮体的垂直波浪力68-70
• 5.4 浮体的能量吸收率70-71
• 5.4.1 浮体的总能量70
• 5.4.2 波的总能量70-71
• 5.5 发电机输出功率71-74
• 5.5.1 浮体受力数学模型71-72
• 5.5.2 发电机输出功率动态数学模型72-74
• 5.6 本章小结74-75
• 6 动态仿真及分析75-85
• 6.1 计算机辅助分析技术75
• 6.2 虚拟样机技术75-78
• 6.3 ADAMS 软件及其特点78-79
• 6.4 系统建模及仿真79-81
• 6.4.1 简化模型79-80
• 6.4.2 导入模型80
• 6.4.3 添加约束及载荷80-81
• 6.4.4 仿真81
• 6.5 仿真结果及分析81-83
• 6.6 本章小结83-85
• 7 总结与展望85-87
• 7.1 总结85-86
• 7.2 展望86-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 个人简历92-93

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