内置式波浪能发电装置的设计与分析

【摘要】：随着世界社会和经济的繁荣发展，能源问题也越来越突出。波浪能是一种品质较好的绿色能源，波浪能的研发和利用对解决现代社会的能源危机以及实现社会的可持续发展具有非常重要的意义。 本文先简要说明了目前国际上和国内波浪能发电领域的研究动态，按国际上比较流行的分类方式总结和分析了各类波浪能发电技术，并对比了其各自的优势和劣势。在充分理解其规律和利弊的基础之上，根据我国海洋的实际情况，设计了一种内置式波浪能发电装置，该装置采用全封闭式的结构，简单可靠且不易受海水腐蚀，最终的转换装置采用永磁直线发电机，转换效率较高，可实现一种新的易于商业化及低成本的波浪能发电技术。本文所做的主要工作有： （1）通过阅读相关文献总结世界波浪能发电领域的技术，借鉴其原理和优势设计了一种内置式波浪能发电装置，对包括浮体、内置结构、直线发电机等在内的主要结构部件进行了设计和绘制，并详细介绍了该装置的工作原理； （2）建立了波浪能转换装置的系统动力学模型，得出动力学方程。并利用基于线性势流理论的边界元方法计算了浮体在波浪作用下的运动响应及水动力学系数等； （3）利用Aqwa软件对浮体与波浪的相互作用进行数值仿真，并讨论了浮体参数和波浪参数对波浪能转换性能的影响，对浮体进行了针对性的优化； （4）对装置所采用的直线发电机模型进行了设计，并在简要介绍了直线发电机和电磁场原理的基础上，利用AnsysMaxwell软件对直线发电机进行数值仿真计算，为后续的改善和优化打下基础； （5）利用Adams软件对发电装置的内置结构进行动态仿真计算，证实了本装置尤其是内置机构设计的可行性，并讨论杆的比例、弹簧系数与球的质量等参数对能量转换效率的影响，进行了相关的优化研究分析。并初步简单计算了本装置对波浪能的转换效率。 【关键词】：波浪能 水动力学分析 直线发电机 优化设计
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM612
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 国外研究动态11-12
• 1.2.2 国内研究动态12-13
• 1.3 常用波浪能转换装置13-19
• 1.3.1 振荡水柱式13-14
• 1.3.2 浮子式技术14-18
• 1.3.3 越浪式技术18-19
• 1.4 研究意义及主要内容19-21
• 2 内置式波浪能发电装置的设计21-28
• 2.1 波浪能的转换21-22
• 2.2 方案设计与分析22-25
• 2.2.1 结构简图22-24
• 2.2.2 工作原理24-25
• 2.3 动力学模型25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 水动力学分析理论与计算28-48
• 3.1 波浪理论28-34
• 3.1.1 液面基本方程28-31
• 3.1.2 微幅波理论31-34
• 3.2 波浪与浮体水动力分析的边界元法34-39
• 3.2.1 格林公式34-35
• 3.2.2 海浪对海工结构物的作用35-38
• 3.2.3 浮体的运动响应38-39
• 3.3 浮体的水动力学计算39-47
• 3.3.1 Aqwa 软件的介绍39-40
• 3.3.2 基于 Aqwa 的浮子水动力学计算40-46
• 3.3.3 计算结果分析46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 直线发电机48-66
• 4.1 直线发电机的简介48-51
• 4.1.1 直线发电机历史48
• 4.1.2 直线发电机原理48-49
• 4.1.3 直线发电机优点49-50
• 4.1.4 本文所设计的直线发电机50-51
• 4.2 电磁场基本理论51-57
• 4.2.1 麦克斯韦方程52-53
• 4.2.2 电磁场偏微分方程53-54
• 4.2.3 电磁场边界条件54
• 4.2.4 Maxwell 三维电磁场计算原理54-57
• 4.3 MAXWELL 仿真分析57-64
• 4.3.1 Maxwell 软件介绍58
• 4.3.2 仿真结果58-64
• 4.3.3 仿真结果分析64
• 4.4 本章小结64-66
• 5 系统的仿真、优化与效率计算66-84
• 5.1 浮体参数的优化66-77
• 5.1.1 浮体形状的选择66-70
• 5.1.2 浮体尺寸的选择70-75
• 5.1.3 吃水深度的选择75-77
• 5.2 内置结构的仿真与优化77-82
• 5.2.1 ADAMS 软件的介绍77
• 5.2.2 仿真结果与参数优化77-82
• 5.3 发电效率计算82-83
• 5.4 本章小结83-84
• 6 结论与展望84-85
• 6.1 结论84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-90
• 个人简历90-91

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