第 1 章 緒 論

目前，世界各國對(duì)能源的需求不斷增加，而能源儲(chǔ)量卻日益減少，同時(shí)大量化石能源的使用又引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，這些問題已經(jīng)成為阻礙人類社會(huì)向前發(fā)展的重大障礙。為有效地解決上述問題，需要增加開發(fā)可再生能源的力度。波浪能作為一種清潔、無污染能源，它具有能量品質(zhì)好、能流密度大、成本低廉、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)�，F(xiàn)今，許多沿海國家都在積極開發(fā)波浪能，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況、基于不同理念，設(shè)計(jì)了大量形式、功能各異的波浪發(fā)電裝置。波浪屬于一種隨機(jī)波，其空間分布復(fù)雜、傳播速度慢、且存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)波浪發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率通常較低，為提高波浪發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率，裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往過于復(fù)雜，這又容易出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定、系統(tǒng)故障率升高等的問題，而且也大大增加了裝置的建造成本。批量制造波浪能發(fā)電裝置是降低成本最有力的手段，然而這一切必須建立在裝置的低成本和高效率基礎(chǔ)之上�？傊粢獙�(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置的產(chǎn)業(yè)化就必須在提高波浪能轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)盡量簡化裝置的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降低發(fā)電成本的目的。

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第 2 章 彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究方法

2.1 引言

彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器改良了以往的蓄能裝置，以簡單的彈簧機(jī)構(gòu)取代了復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，大大簡化了轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，減少了安裝與維護(hù)的工程量，從而降低了發(fā)電成本。本章首先闡述了彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體研究方案，并設(shè)計(jì)了其具體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)分析了工作原理，然后給出了轉(zhuǎn)換器的數(shù)值仿真方法，最后針對(duì) Salter 鴨體模型介紹了 AQWA 軟件的數(shù)值仿真流程。

2.2 彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體研究路線

該路線的具體研究流程為首先對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后針對(duì)Salter實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，求解其頻域與時(shí)域的水動(dòng)力學(xué)參量，同時(shí)將時(shí)域仿真結(jié)果與 Salter實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，，再根據(jù)波浪理論及鴨體頻域參量的計(jì)算結(jié)果建立轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換模型，并由正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法仿真求解轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)模型，最后通過模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真方法的準(zhǔn)確性。彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體功能圖如圖 2-2 所示，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)可分為兩部分，第一部分為儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要包括扭力彈簧、鴨體、棘輪機(jī)構(gòu)和鴨體中軸，鴨體在入射波浪作用下，隨波浪上下起伏將波浪能轉(zhuǎn)換為鴨體的機(jī)械能完成能量的一級(jí)轉(zhuǎn)換，鴨體運(yùn)動(dòng)使扭力彈簧旋轉(zhuǎn)將鴨體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為彈簧的彈性勢能完成能量的二級(jí)轉(zhuǎn)換；第二部分為發(fā)電系統(tǒng)，主要包括增速器、齒輪泵、節(jié)流閥、以及發(fā)電機(jī)。鴨體中軸由扭力彈簧驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并通過增速器增速及液壓調(diào)速機(jī)構(gòu)調(diào)速，最終帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，該部分完成能量的第三級(jí)轉(zhuǎn)換即儲(chǔ)能彈簧彈性勢能到電能的轉(zhuǎn)換。

第 3 章 彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的頻域研究.................21

3.1 引言................... 21
3.2 鴨體的頻域仿真結(jié)果及分析.............21
3.3 液壓阻尼系統(tǒng)下鴨體的時(shí)域仿真結(jié)果及分析............26
3.4 本章小結(jié)................28
第 4 章 鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的彈性系統(tǒng)仿真及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究..........29
4.1 引言............... 29
4.2 鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的彈性系統(tǒng)仿真...........29
4.3 鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究.....38
4.4 最優(yōu)鴨體模型的時(shí)域特性分析.................41
4.5 本章小結(jié)..........................42
第 5 章 彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)研究................43
5.1 引言............ 43
5.2 仿真實(shí)物與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷g的換算關(guān)系............ 43
5.3 彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建........................... 44
5.4 鴨體模型實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析.......47
5.5 本章小結(jié)..............50

第 5 章 彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)研究

5.1 引言

運(yùn)用仿真方法分析彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的水動(dòng)力學(xué)特性雖然可以節(jié)省大量人力、物力，然而其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性仍需通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。實(shí)物模型的水槽實(shí)驗(yàn)是研究海洋工程結(jié)構(gòu)水動(dòng)力學(xué)特性的有力手段，能直觀的展現(xiàn)出轉(zhuǎn)換器的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程，為此本章針對(duì)最優(yōu)轉(zhuǎn)換器模型設(shè)計(jì)了小模型實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

5.2 仿真實(shí)物與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷g的換算關(guān)系

對(duì)于本文彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的物理模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)需要在造波水槽中進(jìn)行，同時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵残韪鶕?jù)實(shí)物尺寸按相似準(zhǔn)則縮小。通常海水中一直存在粘性力、重力、慣性力和壓力的作用，每一種力對(duì)應(yīng)一種相似準(zhǔn)則，然而上述的相似準(zhǔn)則很難同時(shí)滿足，這時(shí)需要根據(jù)實(shí)際海洋情況確定主要作用力及相應(yīng)的相似準(zhǔn)則。彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的模型實(shí)驗(yàn)選擇在哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院的風(fēng)浪聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室分為大小兩個(gè)實(shí)驗(yàn)段，大實(shí)驗(yàn)段作為風(fēng)浪聯(lián)合實(shí)驗(yàn)段可進(jìn)行風(fēng)洞和波浪實(shí)驗(yàn)，當(dāng)進(jìn)行波浪實(shí)驗(yàn)時(shí)，其下方的造波水槽可提供最大波高為 0.4m，周期為 0.5~5s 的線性波浪，水槽長 50m，寬 5m，工作水深 4.5m，造波機(jī)安裝在首墻端，另一端設(shè)置消波裝置，水槽下端有一個(gè)長10m，寬 5m，深 22.5m 的深井，深井中安裝有可自由升降的平臺(tái)，可與槽底處于同一平面，也可降到距槽底 22.5m 的深處，其具體布局如圖 5-1 所示。

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結(jié) 論

本文的主要研究工作及相應(yīng)結(jié)論總結(jié)如下：（1）在 Salter 鴨式裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型彈性儲(chǔ)能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中利用齒輪箱增加鴨體中軸轉(zhuǎn)速，并通過齒輪泵與節(jié)流閥的液壓組合系統(tǒng)調(diào)節(jié)鴨體中軸轉(zhuǎn)速，基于簡化結(jié)構(gòu)、便于批量生產(chǎn)的目的，設(shè)計(jì)了通過棘輪裝置使鴨體中軸沿單方向旋轉(zhuǎn)的彈簧儲(chǔ)能系統(tǒng)，并給出針對(duì)該系統(tǒng)的仿真方法。（2）利用 AQWA 軟件對(duì)鴨體的頻域與時(shí)域參量進(jìn)行了仿真計(jì)算，其中頻域計(jì)算參量包括鴨體附加質(zhì)量、輻射阻尼、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子與波浪激勵(lì)力響應(yīng)算子，結(jié)果表明，當(dāng)入射波浪頻率處在低頻或高頻范圍內(nèi)時(shí)，由于鴨體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射力最小，即損失能量最少；時(shí)域仿真主要計(jì)算鴨體在不同頻率的入射波浪作用下，其質(zhì)心在橫搖方向上的運(yùn)動(dòng)角位移、角速度、以及角加速度的時(shí)域特性曲線，根據(jù)時(shí)域仿真結(jié)果確定了轉(zhuǎn)換器與波浪間相互作用的共振頻率處于1.4rad/s 附近，且同 Salter 實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，即初步驗(yàn)證了 AQWA 軟件的準(zhǔn)確性。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：37899