基于橫搖運(yùn)動(dòng)的微型波浪能吸收機(jī)理與轉(zhuǎn)換裝置研究.pdf

1、隨著當(dāng)代社會(huì)能源問(wèn)題的日益緊張，可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用成為重要的發(fā)展方向。波浪能作為可再生能源的重要部分，具有綠色環(huán)保和儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，吸引了更多的投入與研究。一般來(lái)說(shuō)，波浪能利用主要有兩個(gè)方面，一種是大規(guī)模性的波浪發(fā)電，目的是滿(mǎn)足人們對(duì)生產(chǎn)和生活用電的需求，相關(guān)的波浪能利用及其技術(shù)不斷進(jìn)步成熟；另一種是微型波浪能利用，目的是滿(mǎn)足航標(biāo)燈、水下航行器、水面航行器和監(jiān)測(cè)浮標(biāo)等小型海洋設(shè)備的用電需求。目前，關(guān)于微型波浪能利用及其相關(guān)技術(shù)的研究

2、較少。
　　針對(duì)小型海洋設(shè)備的能量供給問(wèn)題，本文提出一種基于橫搖運(yùn)動(dòng)微型波浪能轉(zhuǎn)換裝置，以橫搖運(yùn)動(dòng)作為基本運(yùn)動(dòng)形式對(duì)微型波浪能進(jìn)行吸收，設(shè)計(jì)一種新型的動(dòng)力輸出裝置解決微型波浪能的能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。圍繞微型波浪能吸收機(jī)理與轉(zhuǎn)換裝置，本文開(kāi)展的創(chuàng)新性工作主要有以下幾個(gè)方面：
　　1、深入全面地總結(jié)了現(xiàn)有小型海洋設(shè)備的能量供給方式，概括歸納出一種微型波浪能轉(zhuǎn)換裝置的定義。本文結(jié)合應(yīng)用背景與波浪能利用的相關(guān)研究，分別論述了小型海洋設(shè)備的

3、能量供給技術(shù)、波浪能吸收方式以及能量轉(zhuǎn)換的研究情況，并歸納出一種微型波浪能轉(zhuǎn)換裝置的定義，通過(guò)對(duì)波浪能的吸收、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，為小型海洋設(shè)備提供能量。在此基礎(chǔ)上，對(duì)微型波浪能吸收與轉(zhuǎn)換方面的相關(guān)技術(shù)及其存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。
　　2、結(jié)合波浪特點(diǎn)分析微型波浪能吸收的可行性，提出了一種基于橫搖運(yùn)動(dòng)的微型波浪能吸收方法。本文對(duì)波浪的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與能量特點(diǎn)以及分布情況進(jìn)行研究，運(yùn)用微幅波理論對(duì)規(guī)則波和不規(guī)則波進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；結(jié)合浮體在波浪下的運(yùn)動(dòng)

4、特點(diǎn)，比較了橫搖運(yùn)動(dòng)和垂蕩運(yùn)動(dòng)在微型波浪能吸收的優(yōu)劣；確定以浮體橫搖運(yùn)動(dòng)作為波浪能吸收方式，運(yùn)用動(dòng)量（矩）定理與歐拉方程，推導(dǎo)了浮體在波浪下的橫搖運(yùn)動(dòng)方程，討論了橫搖運(yùn)動(dòng)用于微型波浪能吸收的可行性。
　　3、以基于絕對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的單浮體波浪能轉(zhuǎn)換裝置為研究對(duì)象，深入分析了影響微型波浪能吸收的關(guān)鍵因素。根據(jù)浮體的橫搖運(yùn)動(dòng)方程，提出并建立單浮體波浪能轉(zhuǎn)換裝置的數(shù)學(xué)模型與能量模型；在考慮浮體橫搖過(guò)程中的非線(xiàn)性因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用解析法求解裝

5、置的數(shù)學(xué)模型；重點(diǎn)對(duì)浮體橫搖固有頻率及其影響因素進(jìn)行分析，利用數(shù)值分析的方法討論單浮體波浪能轉(zhuǎn)換裝置在規(guī)則波和不規(guī)則波中獲得的能量。結(jié)果表明，單浮體裝置在規(guī)則波中對(duì)波浪能的最佳吸收是通過(guò)浮體的諧搖實(shí)現(xiàn)的，而增大浮體的固有頻率有利于提高裝置在不規(guī)則波中對(duì)波浪能的吸收。
　　4、提出了一種基于相對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的雙浮體波浪能吸收方案，深入分析了參考系浮體設(shè)計(jì)對(duì)波浪能吸收的影響。以控制參考系浮體橫搖運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)，本文討論參考系浮體在水下的橫搖穩(wěn)

6、定性及其影響因素；建立雙浮體式波浪能轉(zhuǎn)換裝置數(shù)學(xué)模型并求解，利用數(shù)值分析的方法對(duì)影響裝置的關(guān)鍵因素進(jìn)行討論，尤其是水下浮體對(duì)裝置的影響；對(duì)利用雙浮體相對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的波浪能吸收方式進(jìn)行總結(jié)，給出雙浮體波浪能轉(zhuǎn)換裝置的一般性設(shè)計(jì)思路。結(jié)果表明，水下浮體設(shè)計(jì)對(duì)波浪能吸收的影響是復(fù)雜的，而通過(guò)控制其橫搖幅值，可避免水下浮體運(yùn)動(dòng)對(duì)裝置的不利影響，從而穩(wěn)定裝置對(duì)波浪能的吸收。
　　5、研究了一種內(nèi)置慣性擺式波浪能吸收方案，深入分析了慣性擺參數(shù)設(shè)

7、計(jì)對(duì)波浪能吸收的影響規(guī)律。對(duì)單自由度和二自由度慣性擺的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，考察其在外界激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；結(jié)合浮體的橫搖運(yùn)動(dòng)方程，建立了單自由度內(nèi)置慣性擺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解，并通過(guò)數(shù)值分析的方法對(duì)影響裝置的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析；對(duì)內(nèi)置慣性擺裝置的吸收方式進(jìn)行總結(jié)，給出波浪能轉(zhuǎn)換裝置的一般性設(shè)計(jì)思路。結(jié)果表明，合理設(shè)計(jì)慣性擺的擺長(zhǎng)，控制其固有角頻率有利于提高慣性擺作為參考系的穩(wěn)定性，而擺重的增加則拓寬了對(duì)PTO裝置的選擇范

8、圍，有利于提高裝置對(duì)波浪能的吸收。
　　6、針對(duì)微型波浪能轉(zhuǎn)換裝置中的能量轉(zhuǎn)換部分，提出并設(shè)計(jì)了一種基于彈性?xún)?chǔ)能裝置的能量轉(zhuǎn)換裝置。以正向能量轉(zhuǎn)換裝置為研究對(duì)象，對(duì)其工作原理進(jìn)行闡述。對(duì)彈性?xún)?chǔ)能裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，包括卷簧及其控制機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)卷簧進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析和模態(tài)分析，并設(shè)計(jì)了卷簧的輸入、輸出控制機(jī)構(gòu)；研制了基于彈性?xún)?chǔ)能裝置的不帶動(dòng)力匹配環(huán)節(jié)的正向能量轉(zhuǎn)換裝置原理樣機(jī)，分別通過(guò)手動(dòng)試驗(yàn)和六自由度試驗(yàn)臺(tái)模擬橫搖運(yùn)動(dòng)的