20kW海洋三浮筒波浪能发电装置结构设计及性能优化

【摘要】：海洋能是一种可再生的清洁新能源，其中以波浪能最为丰富，论文首先分析国内外波浪发电技术的研究现状和存在的问题。了解国内外各种波浪发电装置的工作原理和特点，在挪威的筏式波能转换装置的基础上，结合波能发电的原理。提出一种新型的波浪发电装置—海洋三浮筒波浪能发电装置。 其次根据微幅波理论和推进波的势函数，推导出水质点的速度、加速度、水质点的运动轨迹以及波浪的压强和波能的数学表达式；利用弗汝德－克雷洛夫假定法对几种状态圆柱体浮筒进行受力分析，建立圆柱体浮筒受力数学模型，确定圆柱体浮筒的基本几何尺寸后；结合波浪理论以及波浪能转换原理的基本知识，讨论浮筒与附加质量、水截面积、波浪力振幅的关系，求出圆柱体浮筒的起伏位移和俘获的能量。 然后对20kW海洋三浮筒波能发电装置进行设计，此结构设计包括外部吸能机构设计，方向转换机构和液压系统。在对外部浮筒进行运动分析之后，设计活动铰链以避免不利运动对吸能机构造成破坏。并根据波长大小确定浮筒臂尺寸，建立浮筒臂输入端力矩和摆动角度的数学模型。由于浮筒臂的来回摆动不易利用，设计方向转换机构，使得正、反方向的摆动转变为单一方向的旋转。为了提高发电装置的续航能力，进而设计加装大蓄能器的液压系统。 最后利用液压仿真软件AMESim对液压系统的输出能量稳定性进行分析，出现液压系统在能量输入不足的情况下不能稳定输出能量，本文对液压系统进行改进。使其能在系统输入能量不足时实现能量稳定输出。 【关键词】：波浪能 三浮筒发电装置 液压系统 克雷洛夫假定 AMESim
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM612;P743.2
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究背景14
• 1.2 国内外研究状况及技术现状14-17
• 1.2.1 海洋能概况14-16
• 1.2.2 世界各国海洋能利用的技术现状16-17
• 1.3 国内外波能转换装置原理及工程实例介绍17-21
• 1.4 本课题研究内容21-22
• 第2章 微幅波理论22-33
• 2.1 微幅波理论的基本方程22-27
• 2.1.1 连续方程22-23
• 2.1.2 理想流体的运动23-24
• 2.1.3 定常积分（伯努利方程）与非定常无旋积分24
• 2.1.4 势波的概念24-27
• 2.2 二维小振幅推进波的速度势27-28
• 2.3 水质点的运动速度和加速度28-29
• 2.4 水质点的运动轨迹29-31
• 2.5 波的压强和波能31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 浮筒受力分析及起伏系统能量分析计算33-46
• 3.1 海况的选择33-34
• 3.2 弗汝德－克雷偌夫假定法34-35
• 3.3 圆柱体浮筒的波浪力分析35-41
• 3.3.1 垂直圆柱体浮筒的波浪力35-37
• 3.3.2 水平圆柱浮筒的波浪力37-38
• 3.3.3 横向圆柱体浮筒的波浪力38-41
• 3.4 浮筒起伏系统能量计算41-44
• 3.4.1 浮筒的起伏频率41
• 3.4.2 浮筒的起伏位移41-43
• 3.4.3 浮筒起伏体能量表达式43
• 3.4.4 浮筒吸收能量计算43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第4章 20kW 海洋三浮筒波浪能发电装置的结构设计46-60
• 4.1 海洋三浮筒波浪能发电装置总体参数设计46-47
• 4.2 外部吸能装置的结构设计47-49
• 4.2.1 铰链的结构设计47-48
• 4.2.2 浮筒臂的参数设计48-49
• 4.2.3 中间浮筒传动结构设计49
• 4.3 方向转换机构设计49-50
• 4.4 液压系统的设计50-55
• 4.4.1 液压马达的选择51-52
• 4.4.2 液压泵的选择52-53
• 4.4.3 阀类元件的选择53-54
• 4.4.4 增速比的确定54-55
• 4.5 蓄能器的设计55-58
• 4.5.1 蓄能器的参数设计56
• 4.5.2 蓄能器类型的选择56
• 4.5.3 蓄能器的参数计算56-58
• 4.6 发电机的选择58-59
• 4.7 本章小结59-60
• 第5章 三浮筒发电装置液压系统仿真与性能优化60-72
• 5.1 液压系统的仿真建模方法与软件选择60
• 5.2 AMESim 仿真软件介绍60-61
• 5.3 三浮筒发电装置液压系统仿真系统61-66
• 5.3.1 仿真系统的组成61-62
• 5.3.2 仿真模型的创建62
• 5.3.3 能量输入信号的建立62-64
• 5.3.4 参数设置64
• 5.3.5 仿真结果及分析64-66
• 5.4 改进后的液压仿真系统66-71
• 5.4.1 改进后系统仿真模型的创建67
• 5.4.2 联合仿真67-69
• 5.4.3 改进后仿真结果及分析69-71
• 5.5 本章小结71-72
• 全文总结与展望72-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文77-78
• 致谢78

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