振荡浮子式海洋波浪能发电装置的设计.pdf

上海海洋大学硕士学位论文振荡浮子式海洋波浪能发电装置的设计摘要随着全球世界经济不断地高速发展，世界各个国家对能源的需求量也随之急 剧增长。陆地上存储的常规能源是有限的，开发新型的、可再生的能源已经成为 世界各个国家为了可持续发展战略共同的研究方向和重要选择。海洋作为占地球 面积70%的主体，不仅拥有丰富的水产、石油、天然气等资源，更蕴藏着巨大的、清洁的、可再生的、新型的海洋能源。海洋波浪能在海洋中无处不在，而且受时 间限制相对较小，同时波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉 价能源。针对以上情况，设计了一台小型海洋波浪能发电装置，即振荡浮子式海 洋波浪能发电装置。本论文对振荡浮子式海洋波浪能发电装置进行了设计，并从 以下几个方面展开工作：(1)根据海洋波浪的运动特点和波浪能发电装置的工作要求，本论文首先确 定了振荡浮子式海洋波浪能发电装置的设计原则、设计方案及工作原理，采用 Solidworks软件对装置进行了三维建模。(2)基于麦考密克等人的波浪理论和弗罗德-克雷罗夫(F roude-Kry lov)假定一 法，应用相关计算方法并使用MATLAB软件分别对长方形、垂直圆柱形和水平 圆柱形三种形状的浮子进行受力分析和比较，以求得最适合本振荡浮子式海洋波 浪能发电装置的浮子形状。并且根据确定的浮子形状，对浮子尺寸进行了优化设 计，确定了浮子的设计尺寸。(3)根据浮子的形状和尺寸设计了本振荡浮子式海洋波浪能发电装置中转 换装置传动零件的结构尺寸，如双面齿条、传动齿轮、输出齿轮、传动轴和输出 轴等。(4)根据设计确定的装置尺寸，计算本振荡浮子式海洋波浪能发电装置的整 机转换效率，并与其他典型的海洋波浪能发电装置的整机理论转换效率进行比 较。(5)运用运动学分析软件ADAMS建立了装置的虚拟样机模型，对其进行了 运动学分析。(6)对试验模型进行性能试验，得出相关试验数据。I上海海洋大学硕士学位论文关键词：新能源，海洋波浪能，发电装置，机械设计，运动学分析，性能试 验上海海洋大学硕士学位论文Design of Oscillating Buoy Ocean Wave EnergyGeneration DeviceABSTRACTWith the development of global economy,countries around the world demand for energy rapidly grows.The earth energy sources is limited,developing new and renewable energy has become all countries research direction and important choice for world sustainable development strategy.Ocean as 70%area of earth,not only has rich fisheries,oil,natural gas and other resources,but also reserves vast,clean,renewable and new ocean energy.Wave energy exists every where in the ocean,small time limit,and has the maximum energy density,through small device can provide significant and low cost energy.In this paper a small ocean wave energy generation device is designed.This paper carries on theoretical design of oscillating buoy ocean wave energy generation device,and starts work from the following aspects:(1)According to ocean wave movement characteristics and wave energy generation device work requirements,this paper first identifies the design principles,design program and working principles of oscillating buoy ocean wave energy generation device,uses Solidworks software to build the three-dimensional model of device.(2)Bases on McCormick wave theory and F roude-Kry lov(F roude-Kry lov)theory,this paper applies relate calculation method and uses MATLAB software to analy sis and compare the force on three shape buoy s,rectangular,vertical cy linder and horizontal cy linder,to choose the most appropriate buoy shape of the oscillating ocean wave energy generation device.According to the determined buoy shape,optimal design dimensions of the buoy is carried out,and the size of buoy is determined.(3)According to the determined buoy shape and size,the parts of the conversion device in the oscillating buoy ocean wave energy generation device is designed,suchHI上海海洋大学硕士学位论文as double-sided rack,transmission gears,output gear,transmission shafts and output shaft,etc.(4)According to the designed size of device,calculates the conversion efficiency of oscillating buoy ocean wave energy generation device,and compares with the conversion efficiency of other ty pical ocean wave energy generation devices.(5)Uses the kinematics analy sis software ADAMS to build the virtual prototy pe of this device,carries out kinematics analy sis and verify whether the device can work in a variety of sea conditions.(6)The work performance of this device is tested on experimental model,to obtain the experimental data.KEY WORDS:renewable energy,ocean wave energy,generation device,mechanical design,kinematic analy sis,performance testIV上海海洋大学硕士学位论文目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章引言.11.1 波浪能发电装置的研究现状.11.2 本课题研究的目的和意义.91.3 本论文章节安排.10第二章振荡浮子式海洋波浪能发电装置的方案设计.122.1 设计方案的确定.122.2 振荡浮子式波浪能发电装置的结构组成.132.3 振荡浮子式波浪能发电装置的工作原理_ 132.4 小结.15第三章吸收浮子的优化设计.163.1 浮子形状的选择.163.2 垂直圆柱体浮子尺寸的优化设计.223.3 小结.24第四章高效转换装置的设计.254.1 全波浪吸收转换装置的方案.254.2 转换装置中传动零件的设计.264.3 小结.31第五章装置整机理论转换效率的计算.325.1 一级转换效率的计算.325.2 二级转换效率的估算.355.3 三级转换效率的选取.355.4 小结.36第六章运动学仿真.38上海海洋大学硕士学位论文6.1 仿真模型的建立.386.2 仿真结果.406.3 小结.45第七章试验测试.467.1 试验设备.467.2 试验方法.467.3 试验结果.487.4 小结.53第八章总结与展望.548.1 研究总结.548.2 下一步工作展望.55参考文献.56附录一装置部分照片.59附录二 部分工程图.60谢辞.63攻读学 位期间申请的专利与发表的学术论文.64上海海洋大学硕士学位论文第一章引言1.1 波浪能发电装置的研究现状1.1.1 波浪能发电原理波浪能是海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波浪高度的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能发电最基本的原理是通过波浪 的运动使装置工作并带动发电机发电，招以水的动能和势能形式存在的机械能转 化为电能。通常波浪能转换成电能要经过三级转换，第一级转换是受波体吸收波 浪能；第二级转换由中间转换装置优化第一级转换，产生稳定的能量；第三级转 换由发电装置把稳定的能量转化成电能。利用波浪能进行发电的关键技术是波浪 能吸收装置和转换装置。转换原理如图11所示14Fig.1-1 Principle of wave power generation1.1.2 波浪能发电装置的发展历史海洋波浪能开发利用的设想可以追溯到一个多世纪以前与早在1911年，世 界上第一台海洋波浪能发电装置就研制成功，之后世界上许多国家都致力于波浪 1上海海洋大学硕士学位论文能发电装置的研究，世界各国已投入了大量的人力、物力和财力对其进行了多年 的研究网。20世纪80年代波浪能开发转向以为边远沿海和海岛供电为目的的实用 性、商业化的中小型装置为目标，各国相继建成了 20多个波浪能发电装置或发 电站。世界上主要发展和研制的波浪能发电装置有点头鸭式、振荡水柱式、推摆 式、收缩波道式、振荡浮子式、波面阀式等装置网。1.1.3波浪能发电装置的分类及优缺点波浪能发电装置的结构形式、工作原理是各不相同，多种多样的，每一种波 浪能发电装置都有其自身的优缺点及适用场合。根据波浪能发电装置的内在联系、外部特征、结构和用途等各方面的不同，可将波浪能发电装置按不同的方式进行 分类，分类形式如表所示。表1-1波浪能发电装*的分类Tab.1-1 Gassification of wave power generation device分类方式 种类 固定形式 固定式、漂浮式能量传递方式 气动式、液压式、机械式能址转换方式 直接转换式、间接转换式结构形式 点头鸭式、振荡水柱式、推摆式、收缩波道式、振荡浮子式、波面阀式下面按照结构形式的分类对目前几种典型的波浪能发电装置进行介绍、总结 并比较其各自存在的优缺点及适用场合叵期。(1)“点头鸭”式“点头鸭”式波浪能发电装置(图1-2a)是由Salter在他1974年的科学研究中 介绍的一种新型的波浪能发电装置。装置的得名是由于该装置的形状和运行特性 酷似鸭的运动，波浪入射波的运动使得动压力推动转动部分绕轴线旋转，流体静 压力的改变使浮体部分作上升和下沉运动，动能和位能同时通过液压装置转化，再通过液力或电力系统把动能转换为电能，理想运行条件下，装置的转换效率可 达90%。由于“点头鸭”式很多部件直接与海水接触，极易损坏，并且在不规则波 浪的作用下，其系统效率比理想状况下低很多，因此各国已经基本停止对其的使 用和研究。2上海海洋大学硕士学位论文(2)振荡水柱式振荡水柱式波浪能发电装置(图l-2b)内的水柱在波浪的作用下做上下往复 运动，水柱的作用类似于活塞，水柱的不停运动导致水柱自由表面上部的空气柱 产生振荡运动，空气在气室上方的出气孔流经一个往复透平，从而将高速空气动 能转换为电能。振荡水柱式波浪能装置与其他波浪能装置最大的区别就是具有气室。所谓气室就是指一个结构，其下部有一开口浸在海水里，使海水能够自由地 进入气室内。振荡水柱式波浪能装置按其系泊方式分为固定式和漂浮式两种，固 定式装置通常比漂浮式装置的转换效率高些。此装置的最大优点是透平机组等相 对脆弱的部分只与往复流动的空气接触，不与波浪接触，因此比机械式波浪能装 置的抗浪性能好，故障率低，但是其转换效率低，只能达到30%左右，且建造难度 及风险大，导致发电成本高。(3)推摆式推摆式波浪能发电装置(图l-2c)是利用装置的运动部件，在波浪的推动下,通过摆体作前后或上下摆动，将波浪能转换成摆轴的机械动能。与摆轴相连的一 般是液压装置，它将摆轴的机械动能转换成液力泵的动能，再带动发电机发电。此装置属于固定式、直接波浪能转换装置，其制造成本不高，但转换效率略低于振荡水柱式波浪能装置。(4)收缩波道式收缩波道式波浪能发电装置(图L2d)是利用狭道把广范围的波能聚集在很 小的范围内，这是一种提高能量密度的方式。波浪在逐渐变窄的波道中，波高不 断地被放大，直到波峰高过波道的边墙，将波浪能转换成势能贮存在蓄水库中，可利用水轮发电机组进行发电。此装置可靠性较好，但对建造的地形有严格的要 求，不易推广使用。(5)振荡浮子式振荡浮子式波浪能发电装置(图L2e)是在振荡水柱式装置的基础上发展起 来的波浪能发电装置。装置通过振荡浮子将波浪能转换成驱动液压泵的往复机械.能，再通过能量缓冲区将不稳定的液压能转换成稳定的液压能，通过液压马达将稳定的液压能转换成稳定的旋转机械能，再通过发电机发出稳定的电能。振荡浮 子式装置克服了振荡水柱式的缺点，转换效率较高，并且建造成本不高和建造难 度不大，因此目前振荡浮子式波浪能发电装置是最具有发展前景和推广应用的波 浪能发电装置。(6)波面阀式波面阀式波浪能发电装置(图L2f)是波面阀通过较链相互较接在一起，能量 3上海海洋大学硕士学位论文转换装置置于每一校接处，波浪的运动使波面阀沿着校接处弯曲，从而反复压缩 液力活塞并输出机械能。当装置的固有频率与波浪的频率相一致或接近时，装置 的输出效率最高，波面阀式波浪能发电装置系泊困难，并且装置与海水直接接触,装置易损坏。上述6种波浪能发电装置各有其自身的优缺点及适用场合，总结见表A 1-2波浪能发电装置的优缺点及适用场合Tab.1-2 Advantages,disadvantages and suitable occasion of wave power generation devices装置名称优点缺点适用场合点头鸭式构思巧妙；原理完美；理想运行下，效率高（接近90%）结构复杂；过多活动 部件暴露在海水中：装置可靠性差：极易 损坏适用于理想海况，波浪规律的场合振荡水柱式采用空气传递能量；没有水下活动部件；传递方便；通过气室将低速运动的 波浪能量转换成高速运动的气流;可靠性好建造费用昂贵；转换 效率低不高（10%30%）；发电成本高适用于大风浪区域推摆式成本略低；转换效率较高可靠性较差；极易损 坏：维护较为困难；转换效率较高但不稳定适用于在防波堤上的大型发电装置收缩波道式可靠性好;维护费用低;系统出力稳定：不受波高和周期的影响对地形和波道有严格的要求，不易推广适用于地形狭窄区域占较小位置，适振荡浮子式建造难度和成本比其他波浪能装置低，建造相对简单;吸收波浪能的效率较高浮子受过多的冲击，易损坏用于为海洋装备，如航标灯、浮标等提供电源波面阀式理想状况下，转换效率较高系泊困难，波面阀制造费用过高适用于波能密度较大的海域4上海海洋大学硕士学位论文（a）“点头鸭”式（b）振荡水柱式（c）推摆式（d）收缩波道式（e）振着浮子式（f）波面阀式 图1-2几种典型波浪能发电装置Fig.1-2 Typical wave power generation devices1.1.4国内外波浪能发电装置的研究现状世界上对波浪能发电装置进行研究开发最早的国家是法国（1910年）【山。后 来英国、挪威、印度、日本、美国、葡萄牙等国相继开发，各国都在积极开发和 研究各式各样的波浪能发电的高新技术和装备，其中以日本和英国两国走在世界 的领先水平口叫相对于国外一些发达国家，我国研究波浪能起步相对较晚“叫我国近代的波5上海海洋大学硕士学位论文浪能研究始于1968年【，研究波浪能发电最早兴起于上海，国家政府为了开发海 洋资源、促进经济发展，将波浪能发电研究列入了国家重点科技攻关项目。目前 从事波浪能发电研究与开发的单位共有十几家，因此我国在波浪能发电技术方面 获得了较快地发展。其中以中国科学院广州能源研究所拥有的水平与科研成果最 为先进，有些相关技术和成果已达到世界先进水平均。下面针对不同结构形式的波浪能发电装置对国内外波浪能发电装置的研究现 状进行评述时22)。、(1)振荡水柱式运用振荡水柱式技术的代表装置有英国500kW岸式波能装置LIMPET、澳大利 亚的Uisce Beatha波力装置和我国汕尾的lOOkW岸式波力电站等。英国500kW岸式波能装置UMPET,于2000年11月在苏格兰Islay岛建成。装置 的能量采集系统由三个气室构成，透平、发电机机组为二套，发电机的装机容量 为250kW,透平的直径为2.6m,目前已经发电上网，电站已经与苏格兰公共电力 供应商签订了 15年的供电合同。该装置可以为400户当地居民供电，稳定性较好。澳大利亚Uisce Beatha波力装置是澳大利亚Energetech公司研制建造的漂浮式 振荡水柱式波力装置。这套装置使用了一种设计新颖、可控制的Denniss-Auld空气叶轮，随波浪高度、波浪周期和波浪形状的变化其参数可由可编程控制器进行调,节，以提高空气叶轮的转换效率。该装置于2005年10月试验发电，试验发电表明，年发电量超过500MWh,可供1500个家庭使用或每天生产30001淡水，电站已同 当地Integral Energy电力公司签订了电力购买合同，通过UkV的电缆同当地的电网 相连。相比而言，这个装置的效率较高，但稳定性和可靠性一般。我国汕尾lOOkW岸式波力电站是由中国科学院广州能源研究所研建的，建成 于2001年。经过二次技术改造后，将系统改造成无自身能耗、稳定发电的独立发 电系统，进一步将系统的工作海况扩展至有义波高3.5m。2004年12月做了实海况 试验，系统平稳输出6kW,发电质量达到城市居民用电水平。(2)振荡浮子式.现阶段具有代表性的振荡浮子式装置有瑞典的Aquabuoy、英国的Pelamis、苏格兰的自动气象站波浪能量转换器、我国50kW岸式振荡浮子波浪能电站和30kW沿 岸固定式摆式电站等。瑞典Aquabuoy装置使用了振荡浮子技术，其1/2尺寸模型于1982年进行了海底 测试，使用了IPS公司所制的浮子和软管泵。Aquabuoy由一个浮子组成，其升沉运 动和加速管(位于浮子下面)中水的惯性产生反作用，通过一对软管泵产生高压 水流。2007年这个装置的模型在美国俄勒冈州海岸附近研建并测试。6上海海洋大学硕士学位论文英国Pelamis装置是由苏格兰的OPD公司研建的。Pelamis装置实际由筏式波浪 能装置演变而来，其能量采集系统为端部相较接、直径3.5m的浮筒，利用相邻浮 筒的角位移驱动活塞，将波浪能转换成液压能。Pelamis装置装机容量为750kW,放置在水深为5060m深的海面上。该装置在2004年8月23日做了一周实海况发电 试验。2006年开始在葡萄牙建造世界上第一个波浪能发电场，第一期发电场由三 个Pelamis构成，总装机容量2.25MW。苏格兰的自动气象站波浪能量转换器是一个固定于海底的圆筒形浮标，位于 波浪中的充气套管与底部的缸体上下运动，即可将动能转化为电力。当一个波峰 到来时，缸顶与上部浮子压缩气缸来平衡压力，相反，波峰过后，气缸膨胀。这 种相对运动在浮子下部的缸筒内转换为电流，通过液压系统及电动发电机组发电。该装置结构非常简单，利用现有的水下技术，使用与维修都相对容易。在大西洋 北部，在具有连续输出平均功率高达1MW的惊涛骇浪中，自动气象站负荷率达到 25%30%。我国50kW岸式振荡浮子波浪能电站是由广州能源研究所研制并建于广东省 汕尾市，项目开始于2001年，2006年4月建成。实海况试验表明，系统工作平稳，转换效率较高，实现了独立稳定发电。在有义波高0.7m的小浪里，系统的平均发 电功率达到3kW,总转换效率约为40%。我国30kW沿岸固定式摆式电站由国家海洋技术中心于1994年和2000年分别 研制了8kW和30kW沿岸固定式摆式电站，进行了实海况试验，实现了离网发电，为岛上居民供电。(3)收缩波道式采用收缩波道技术的装置有挪威的350kW收缩波道装置(Tapered Channel)、挪威的槽式装置(Sea Slot-Cone Generator,SSG)和欧洲多国合作的Wave Dragon 波力装置等。挪威的350kW收缩波道装置是挪威波能公司于1986年建造的收缩波道式发电 站。其收缩波道开口约60m宽，呈喇叭形逐渐变窄的楔形导槽，逐渐收缩至高位水 库。高位水库与外海间的水头落差达3.5m。电站自建成以来一直工作正常，不足 之处是，电站对地形要求严格，不易推广。挪威的槽式装置(Sea Slot-Cone Generator,SSG)使用多层级的贮水池，波浪 上升时注满较低层级的水槽并沿着倾斜的防波堤继续上升，并注满更高层级的水 槽。其动力输出装置使用特制的多层级垂直轴透平。这种装置效率不会特别高，但设计合理且可靠性较高。欧洲多国合作的Wave Dragon波力装置被称为越浪式装置，实际上是漂浮式的 7上海海洋大学硕士学位论文收缩波道装置，由丹麦的Lowenmark F.R.I.公司牵头、六个欧洲国家、多个公司和 大学共同参与。装机容量为47MW,采用发电上网的输送方式。能量采集采用漂 浮式的收缩波道方式。该装置由钢结构组成，漂浮于海面上，通过锚链锚泊于海 底，两侧具有导浪浮体，采用低水头的Kaplan水轮机组发电。(4)其他日本一直非常重视波浪能发电技术的研究与应用，在波浪能发电技术方面走 在世界的前列，目前日本已建造1500多座波浪能发电装置。从20世纪80年代中期 至今已建成四座岸基固定式和防波堤式波浪能电站，单机容量为40kW125kW。其中80年代初建造的“海明”号波浪能发电船最为著名，总装机容量可达1250kW。2008年英国南安普顿大学的科学家开发了一种海蛇模样似的发电机。此名为“水蟒”的装置是一种波浪发电机，可以将海洋起伏的波浪力量变成便宜的绿色 能源。此“水蟒”直径为6米，是由长长的橡皮管制成,里面注满了水，两头都封闭 了。按照设计,此装置的一头停泊在即将来临的波浪中,因此它得放置在3690m的 水深处，距离海岸大约13km。在英国南安普敦大学进行的小尺寸“水蟒”装置的 测试表明,每一条“水蟒”能提供1MW的电力，足以供应几百家庭的电。.2008年中国科学院研制成功了液态金属磁流体波浪能直接发电的原理性演示装置，提出了一种工作原理与常规波浪能发电系统完全不同的新型波浪能发电技 术。其实质是系统采用了磁流体发电机，提供了一个与波浪吻合很好的机械阻抗。因此系统转换效率高、功率密度大、结构紧凑、成本低廉，而且移动性好。2009年在广东珠海市担杆岛开展漂浮式鸭式装置研究，以及集波浪能、风能 和太阳能为一体的海岛可再生独立能源系统研究。1.1.5目前波浪能发电装置研究中仍存在的问题虽然波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果，但是与太阳能、风,能等清洁能源利用装置相比较而言，波浪能发电装置并没有普及到人们日常生活 中，其中的问题总体而言主要体现为以下几点：(1)随机性海洋波浪主要是由风产生的，在海洋中，每时每刻都存在波浪，但波浪是往 复、低速和不稳定的。波浪时大时小，时高时低，变化具有随机性，如何将低速 往复运动转换成高速单向机械运动是波浪能利用的技术难点和关键之处。(2)发电成本据有关专家们的计算，现阶段海洋波浪能的发电成本比常规的热发电高出10 上海海洋大学硕士学位论文倍左右，因此成本问题已经成为普及和大规模利用波浪能发电的最大障碍。只有 改进波浪能发电的技术，减小发电成本，接近普通电价【列，才能使波浪能发电真 正达到实用化水平，为人们所用。（3）总效率W 我们研究波浪能装置时通常只是在规则的、平稳的造波池中做实验，得出的结论往往并不具有实际操作性和可行性，因为正常情况下海洋的波浪是时刻变化 的，波浪能的能量分散不易集中，因此造成装置的发电总效率并不高。此外，目 前波浪能发电装置上使用的发电机一般都采用的是通用的小型三相交流发电机，这种发电机并不完全适用在波浪发电装置上使用，这也是造成发电总效率低的原 因之一因。（4）工程性波浪能装置大多是直接放置在海水中的，海洋环境下台风天气时常发生，台 风具有巨大的破坏能力，会损坏波浪能装置，造成装置的失效。另外海水具有腐 蚀性，海水中的生物具有附着性，装置容易被腐蚀损坏。所以从工程观点来看，一个理想的、工程性较好的波浪能发电装置的方案应.该包括以下三方面：（1）没有水中活动部件；（2）总体结构上应有利于抗风浪；（3）尽量少的现场施工。但目前似乎还难以找出一个各全其美的方案，这也是波浪能研 究中的一个困难点【司。1.2 本课题研究的目的和意义随着全球世界经济不断地高速迅猛发展，世界各国对能源的需求量急剧增长。现阶段，世界范围内主要利用的能源是常规能源。常规能源又称为传统能源，己 经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源都属于常规能源磔1。能源是人类社会生存与发展的物质基础。在过去的200多年当中，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的常规能源体系极大地推动了人类社会文明的进 步和发展用叫。但是世界范围内存储的常规能源是有限的，并且生产周期远远慢,于人类现阶段使用和开采的速度，因此其终有被开采完的时候。作为人类生存的陆地，其面积仅占地球面积的30%左右，陆地面积上的存贮 的能源有限，使得科学家们把目光投向了广袤无边的海洋。海洋作为占地球面积 70%的主体，不仅拥有丰富的水产、石油等资源，更蕴藏着巨大的、清洁的、可再 生的、新型的海洋能源。海洋能源主要是以潮汐、波浪、温差、盐度梯度、海流 等形式存在河。海洋能源按照储存形式可分为热能、机械能以及化学能。海水温9上海海洋大学硕士学位论文差能属于热能，潮汐能、海流能和波浪能属于机械能，海水盐度梯度为化学能13叫 其中海洋波浪能在海洋中无处不在，而且受时间限制相对较小，同时波浪能的能 流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉价能源（主要以电能为主）【利，并 且也可以为边远海域的国防、海洋开发、海洋装备、农业生产、居民生活用电等”提供帮助。因此，世界上各个国家都十分重视并且花大力开发与研究海洋波浪能，尤其是研究和开发波浪能发电装置。所以设计研制一台波浪能发电装置是探索与 利用新能源的研究方向，在浮子的吸收效率；全波浪能吸收装置的设计等方面做 一些探索和研究，符合社会发展的需要。1.3 本论文章节安排第一章首先从世界能源危机出发，通过对能源现状的评述.指出研究与利用 新能源是社会发展的需要，尤其是开发利用海洋波浪能。然后简单地介绍了波浪 能发电装置的研究现状，并且总结和指出了当前的一些典型装置的特点和适用场 合，并阐述了本课题的研究目的和意义。.第二章结合海洋波浪的运动特点和对波浪能发电装置的工作要求，确定了振荡浮子式波浪能发电装置的设计方案，并参考和借鉴了当前的一些产品，详细讲 述了其工作原理。第三章根据海洋波浪相关理论对三种不同形状的浮子的受波浪力进行了分析 和比较，选出受波浪力最大的浮子形状。并且根据确定的浮子形状，对浮子的尺 寸进行了优化设计，从而确定了浮子的结构尺寸。第四章根据浮子的形状和尺寸设计了本振荡浮子式海洋波浪能发电装置中转 换装置传动零件的结构尺寸，如双面齿条、传动齿轮、输出齿轮和传动轴等。第五章对设计好的振荡浮子式海洋波浪能发电装置进行了整机转换效率的计 算，并根据计算结果与其他典型的波浪能发电装置的理论转换效率进行比较。第六章运用运动学分析软件ADAMS对装置进行了运动学分析，仿真得出输 出轴转速的变化情况。并且在不同的海况条件下对装置的虚拟样机进行了仿真，,验证装置能否在不同海况下正常进行工作。第七章根据设计的振荡浮子式海洋波浪能发电装置中转换装置的各个传动零 件，进行了模型制造，并对其进行工作性能的试验。第八章针对当前研制的振荡浮子式波浪能发电装置存在的问题，进行了总结 并且指出了下一步的工作展望和研究内容。10上海海洋大学硕士学位论文1.4 小结本章主要分析了研制波浪能发电装置的重要性，列举了当前存在的几种典型 的波浪能发电装置，归类总结了其各自的优缺点及适用场合，介绍和归纳总结了 国内外关于运用波浪能进行发电的研究现状和发展前景，指出波浪能发电装置的 发展方向，并引出了本文的主要研究内容。上海海洋大学硕士学位论文第二章振荡浮子式海洋波浪能发电装置的方案设计2.1设计方案的确定在海洋工程中，海浪是作用在海洋工程装备上最主要也是最直接的外力。科 学家们很早以前就开始着手对海浪的运动特点进行了研究，现阶段一般主要是从 两个领域对其进行研究。一个领域是对液体的波动从流体力学的角度加以研究，研究液体内部各质点的运动状态，这种研究一般包括线性波浪理论和非线性波浪 理论两类。另一个领域是将海浪的运动看成是一个随机过程，研究其随机性，进 而展示海浪内部波动能量的分布特性，从统计意义上对液体内部各质点的运动状 态进行描述，研究其对工程结构的作用口式目前在实际的工程中一般都运用线性 波浪理论作为其研究的理论基础和方法。线性波浪理论在一般工程研究中通常是 运用微幅波理论(Airy波理论).微幅波中两个可测量的特性参数是波浪高度H和 波浪周期T,这两个特性参数对装置的设计方案和设计装置的结构尺寸起到至关重 要的作用。根据波浪能发电装置的基本工作原理，一般波浪能发电装置包括三个系统，分别为；波浪能吸收系统、波浪能转换系统以及电能输出系统。本文设计的海洋 波浪能发电装置主要是给海洋装备，如海洋浮标、航标灯进行供电的，因此波浪 能发电装置的设计必须符合以下要求：(1)海洋浮标、航标灯等海洋装备的用电量不大，设计的波浪能发电装置应属 于小型化波浪能发电装置。(2)海洋浮标、航标灯等海洋装备在海洋中需持续不断地进行工作，因此设计 的波浪能发电装置需要能够平稳、高效地进行工作，并且保证在各种海浪状况下 持续进行工作。(3)具有一个合理的、能够高效吸收波浪能的吸收装置，以提高整机的转换效 率。(4)由于波浪是随时随地变化的，因此输出装置的输出转速也随之变化，因此 选择一个适合波浪运动特点的发电机尤为重要。并且发电机输出的电能也是不稳 定的，需配有与之相适合的储能元件。(5)由于装置是在海洋中进行工作，海水具有强烈的腐蚀性以及海洋中的生物 上海海洋大学硕士学位论文具有附着性，因此选材时需要考虑选用耐腐蚀和防生物附着的材料。由波浪能发电原理可知，波浪能发电装置的转换效率主要取决于一级能量吸 收系统的吸收效率。一级能量吸收系统目前普遍采用的是空气水柱和振荡浮子两 种方案。空气水柱吸收波浪能的原理是气室内的水柱由于波浪的作用做上下往复 运动，水柱自身具有一定的固有频率，当入射波的频率与固有频率相接近或一致 时，系统便会产生共振，从而加大了气室内水柱的振荡振幅，因此更大程度地吸 收了波浪产生的能量。该种方案的优点在于能够安全、可靠地吸收波浪能，但是 在海上建造气室的成本过高、难度很大。振荡浮子吸收波浪能的原理是放在海水 中的具有一定形状、尺寸的浮子作为波浪能的吸收载体，浮子直接吸收波浪产生 的能量，通过一定的装置输出。该种方案安全、可靠，相比于空气水柱式，其制 造成本和建造难度具有很大的优势。所以一级能量吸收系统采用振荡浮子式。综合以上的设计要求和两种一级能量吸收系统方案的比较，设计的波浪能发 电装置为振荡浮子式海洋波浪能发电装置。2.2 振荡浮子式波浪能发电装置的结构组成根据以上确定的波浪能发电装置的设计方案，本论文设计的振荡浮子式海洋 波浪能发电装置主要由波浪能吸收装置、转换装置和输出装置三大部分组成。整 机装置的基本结构如图21所示。波浪吸收装置主要由浮子和连杆组成，用于吸收 波浪能。转换装置由双面齿条、传动齿轮I、传动齿轮n、传动齿轮ni、传动齿 轮w、棘轮式超越离合器、传动轴和输出齿轮和输出轴等构件组成，它把吸收装 置吸收的波浪能转换为旋转运动的机械能。输出装置主要由发电机和蓄电池等组 成，发电机工作把机械能转换成电能，并存储在蓄电池中以备使用。整个装置除 浮子和连杆外，封装在一个固定于海洋平台上的箱体内，主要传动部件和发电机 不与海水相接触，避免了被海水腐蚀，并且提高了装置在海洋中的使用寿命，并 且安装简便，维护方便。2.3 振荡浮子式波浪能发电装置的工作原理本文设计的振荡浮子式波浪能发电装置通过吸收装置把波浪的起伏运动转换 成双面齿条的上下直线运动，双面齿条带动左右两边的传动齿轮I和传动齿轮n 旋转，从而带动传动轴I和传动轴n旋转，传动轴I和传动轴n带动传动齿轮in 和传动齿轮w旋转，传动齿轮m和传动齿轮w与输出齿轮啮合，输出齿轮带动发 13上海海洋大学硕士学位论文电机轴旋转，转换装置通过这一过程便把直线运动转换成了旋转运动，使发电机 进行工作。在图2“中，传动齿轮I/II的内部安装有棘轮式超越离合器。棘轮式 超越式离合器同向安装，保证双面齿条上下运动时只有一个传动齿轮进行工作，同时也使发电机轴始终朝一个方向连续旋转，提高发电效率。假设浮子的重量为G（包括连杆、齿条），海面平静时，浮子所受的静浮力等 于重力，静吃水深度为d,浮子在波浪中所受的力由静浮力和波浪力组成。当波浪 上升时，往上的波浪力使浮子上升，带动双面齿条向上运动，双面齿条带动左右 两边传动齿轮I和传动齿轮H转动，传动齿轮I内的棘轮式超越离合器的棘爪在 棘轮棘齿背上划过，传动齿轮I的运动没有传递给传动轴I,只有传动齿轮R通 过棘轮式超越离合器把运动传递到传动轴n上，传动轴n带动传动齿轮w逆时针 转动，从而带动输出齿轮顺时针转动，输出轴通过联轴器带动发电机轴顺时针旋 转工作，当浮子上升至最大行程时，吃水深度回到初始状态人浮子不脱离海水。当波浪下降时，向下的波浪力使浮子下降，带动双面齿条向下运动，传动齿轮II 内的棘轮式超越离合器的棘爪在棘轮棘齿背上划过，传动齿轮n没有把运动传递 到传动轴n上，只有传动齿轮I通过棘轮式超越离合器把运动传递到传动轴I上,带动传动齿轮m逆时针转动，从而带动输出齿轮也顺时针转动，同样输出轴通过 联轴器带动发电机轴顺时针旋转工作，当浮子下降到最大行程时，吃水深度回到 初始状态do浮子上升过程和下降过程中，波浪能发电装置始终处于工作中，并且由于在 传动齿轮I和传动齿轮n内安装有棘轮式超越离合器，装置连续工作时不会发生 运动干涉，装置运行平稳。装置工作时，输出齿轮都是顿时针转动，使发电机轴 始终向一个方向旋转发电，这样便可防止发电机因为正反转的交