無人海洋探測器作為開發(fā)海洋資源的重要裝備,普遍缺乏高效可靠的供電方式。波浪能作為一種分布廣泛的可再生海洋能,有望成為探測器的理想供電能源。波浪能的高能量密度特性有利于裝置小型化,使其便于作為供電模塊集成到無人海洋探測器。提出了一種基于反轉(zhuǎn)自適應(yīng)機(jī)理的新型波浪能點(diǎn)吸收器。該點(diǎn)吸收器可以實(shí)現(xiàn)葉片對水流的自適應(yīng)偏轉(zhuǎn),并自動(dòng)平衡裝置的整體轉(zhuǎn)矩。通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn),點(diǎn)吸收器的功率和效率特性受吸收器葉片傾角、相對流速、轉(zhuǎn)速及雙層吸收器相互作用的影響很大,合理選擇系統(tǒng)參數(shù)有助于優(yōu)化裝置的整體性能。試驗(yàn)桶及造波池試驗(yàn)分別驗(yàn)證了數(shù)值分析的準(zhǔn)確性和工作原理的可行性。 

【文章來源】：農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào). 2018,49(09)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

點(diǎn)吸收器的概念圖Fig．1Conceptualmapofpointabsorber無人海洋探測器系繩供電模塊

?嫠?畹腦黽蛹本?衰減［19］。在一定深度下的海水是相對平靜的，這為點(diǎn)吸收器提供了一種相對參考體。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種可作為海洋探測器供電模塊的新型波浪能點(diǎn)吸收器，如圖1所示。當(dāng)無人海洋探測器(比如水面航行器)漂浮于海面時(shí)，可以釋放其供電模塊(即波浪能點(diǎn)吸收器)到水面以下。點(diǎn)吸收器中的雙層吸收器通過沖擊靜水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電為水面航行器供電或蓄能。圖1點(diǎn)吸收器的概念圖Fig．1Conceptualmapofpointabsorber1．無人海洋探測器2．系繩3．供電模塊如圖2所示，該點(diǎn)吸收器主要包括水面浮體和水下能量攝取(Powertake-off，PTO)系統(tǒng)兩部分，并通過系繩連接。由于點(diǎn)吸收器被集成到無人海洋探測器中，其水面浮體由探測器充當(dāng)。水下PTO主要包括上下層吸收器、傳動(dòng)軸和內(nèi)置減速器的小型發(fā)電機(jī)等。吸收器是PTO的核心，主要由內(nèi)環(huán)、葉片和外環(huán)組成。內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間由徑向布置的8根支撐軸連接。8片具有限位裝置的扇形葉片被安裝在相應(yīng)的支撐軸上，采用中心對稱的圓周陣列布置。圖2點(diǎn)吸收器的結(jié)構(gòu)圖Fig．2Structurediagramofpointabsorber1．水面浮體2．系繩3．水下PTO4．小型發(fā)電機(jī)5．上層吸收器6．傳動(dòng)軸7．下層吸收器8．限位裝置9．支撐軸10．葉片11．外環(huán)12．內(nèi)環(huán)新型點(diǎn)吸收器基于反轉(zhuǎn)自適應(yīng)機(jī)理，工作原理如圖3所示。①當(dāng)水面浮體上升時(shí)，水下PTO受到系繩拖拽而上升，如圖3a所示。上層吸收器葉片的上表面受水流沖擊，自適應(yīng)性下擺。葉片受限位裝置限制在達(dá)到最大傾角后，停止下擺并呈傾斜狀態(tài)。第9期孫崇飛等:波浪能點(diǎn)吸收器?

鍍?。由于葉片是圓周陣列布置，上層吸收器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同理，下層吸收器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。②當(dāng)水面浮體處于波峰或波谷時(shí)，葉片處于偏轉(zhuǎn)過程而無法提供推力，如圖3b所示。吸收器由于慣性會保持一定轉(zhuǎn)速。③當(dāng)水面浮體下沉?xí)r，水下PTO受重力作用而下沉，如圖3c所示。上層吸收器葉片的下表面受水流沖擊，自適應(yīng)性上擺，達(dá)到最大傾角后呈傾斜狀態(tài)。水流繼續(xù)沖擊葉片，產(chǎn)生推力向前推動(dòng)葉片。葉片的水平受力方向不變，上層吸收器保持逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同理，下層吸收器保持順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。圖3波浪能點(diǎn)吸收器的工作原理Fig．3Workingprinciplediagramsofwaveenergypointabsorber由點(diǎn)吸收器的工作原理可得:吸收器葉片可根據(jù)水流沖擊方向自適應(yīng)地調(diào)整葉片偏轉(zhuǎn)方向，并保持單層吸收器的單向旋轉(zhuǎn)。葉片布置方向相反的雙層吸收器自動(dòng)平衡PTO的整體轉(zhuǎn)矩，并為發(fā)電機(jī)發(fā)電提供反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2能量轉(zhuǎn)換過程及性能評估理論結(jié)合新型點(diǎn)吸收器的工作原理和性能特性的分析，分析其能量轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。點(diǎn)吸收器通過水面浮體把波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，再通過雙層吸收器將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，最終驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。當(dāng)前關(guān)于水面浮體的研究較多［20］，在此不多做分析。PTO系統(tǒng)作為核心部件，主要由雙層吸收器和小型發(fā)電機(jī)組成。圖4能量轉(zhuǎn)換過程Fig．4Energyconversionprocess點(diǎn)吸收器的能量轉(zhuǎn)換過程分別涉及到浮體捕獲效率ηcap、吸收器水力效率ηhyd和發(fā)電機(jī)發(fā)電效率ηgen。點(diǎn)吸收器的總效率η可以表述為η=ηcapηhydηgen(1)吸收器輸入功率Pin可以用單位時(shí)間內(nèi)吸收器水平截面通

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 游亞戈,李偉,劉偉民,李曉英,吳峰.  電力系統(tǒng)自動(dòng)化. 2010(14)
[2]中國海洋資源現(xiàn)狀及海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析[J]. 樓東,谷樹忠,鐘賽香.  資源科學(xué). 2005(05)



本文編號：3304699