單臂振蕩波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),振蕩,發(fā)電,裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 設(shè)計(jì)（論文）題目： 單臂振蕩波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ? 學(xué)生姓名： 專????業(yè)： 所在學(xué)院： 指導(dǎo)教師： 職????稱： ? ?年? ?月??日 ? 開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求 ? 1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專業(yè)審查后生效； 2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的框架成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打印）在本開(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 5、開(kāi)題報(bào)告（文獻(xiàn)綜述）字體請(qǐng)按宋體、小四號(hào)書(shū)寫(xiě)，行間距1.5倍。 ? 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 開(kāi) 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)不少于1000字左右的文獻(xiàn)綜述： 1.1 海洋能的研究背景與意義 傳統(tǒng)的化石能源使現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)得以大規(guī)模發(fā)展，使人類從農(nóng)耕社會(huì)進(jìn)入了繁榮的工業(yè)社會(huì)，它為整個(gè)工業(yè)文明提供了源源不斷的動(dòng)力，是近代人類發(fā)展不可或缺的組成部分。截至目前化石能源仍是人類社會(huì)消耗的最主要能源，全球消耗的能源中化石能源占比高達(dá)80%以上，與此同時(shí)化石能源屬于耗竭性能源，是地球演化過(guò)程中數(shù)百萬(wàn)年生成的產(chǎn)物，而它們現(xiàn)在的消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生成速度。一方面，伴隨著科技發(fā)展，人類社會(huì)能源需求量也日益加大，按照這種速度，不久的將來(lái)化石能源將逐漸消耗殆盡，這是人類發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。另一方面，化石能源的使用總是伴隨著溫室氣體的排放和一些環(huán)境污染問(wèn)題的產(chǎn)生，這些危害到整個(gè)人類的生存環(huán)境，不符合社會(huì)健康長(zhǎng)久發(fā)展的基本要求。極積尋找傳統(tǒng)化石能源的替代品，開(kāi)發(fā)利用新型清潔可再生能源、減少環(huán)境污染已成為世界各國(guó)的共識(shí)地球上海洋面積達(dá)到 3.61 億 km，占地球總表面積的 71%。廣闊的海洋是蘊(yùn)藏著豐富的資源，這些資源既包括海洋礦物能源也包括以潮汐、波浪、溫差、鹽差、海流等形式出現(xiàn)的“海洋能”。海水受到風(fēng)力和陽(yáng)光等的作用，造成不同區(qū)域溫度、鹽度的不同，受月球等的引力作用產(chǎn)生區(qū)域海面的起伏，這些差異導(dǎo)致海洋中各種各樣的能量，海洋能量清潔并且可以再生。開(kāi)發(fā)和利用這些清潔可再生能源對(duì)未來(lái)人類的發(fā)展具有重要的意義，也是人類維持自身生存發(fā)展、拓展生存空間的最切實(shí)可行的途徑之一。 21 世紀(jì)以來(lái)，眾多國(guó)家已針對(duì)各種海洋資源展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，海洋科技強(qiáng)國(guó)已成為諸海洋國(guó)家的新目標(biāo)。我國(guó)處在社會(huì)主義發(fā)展階段，科學(xué)技術(shù)相對(duì)滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家。通過(guò)不斷的開(kāi)拓進(jìn)取，中國(guó)在各個(gè)科技領(lǐng)域?qū)嵙σ巡粩嗉訌?qiáng)，取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步，但改革開(kāi)放后我國(guó)偏重于工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、忽略了環(huán)境治理和保護(hù)。伴隨這種粗放型工業(yè)發(fā)展路線的是大量的自然資源浪費(fèi)和包括霧霾、全球氣溫升高、地下水污染等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，針對(duì)這些亟需解決的問(wèn)題，我國(guó)政府加大力度倡導(dǎo)節(jié)能減排和環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展形態(tài)，并著重支持對(duì)新型清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，確立了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路線。我國(guó)海域廣闊、海島眾多，擁有 490 萬(wàn)平方公里的海域面積海域和 6000 余個(gè)海島，這些地區(qū)蘊(yùn)含的豐富海洋能資源將是一筆寶貴的財(cái)富，合理的加以開(kāi)發(fā)利用是解決我國(guó)能源及環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。海洋能利用技術(shù)一般是指將海洋能轉(zhuǎn)化為人們生產(chǎn)生活可以使用的電能的技術(shù)，通過(guò)各種裝置將海洋中以動(dòng)能、位能、熱能、化學(xué)能等形式出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化為電能。世界各國(guó)海洋能利用技術(shù)目前多處于發(fā)展的初始階段，所以海洋能屬于有待開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域，據(jù)調(diào)查，這些巨量的海洋能資源中潮汐能利用技術(shù)已趨于成熟，需要進(jìn)一步商業(yè)化、規(guī)?；校ɡ四芾眉夹g(shù)還處于試驗(yàn)階段，有待更深的研究探索，溫差、鹽差能等利用技術(shù)處于原完善階段。 針對(duì)目前的狀況，我國(guó)已開(kāi)始對(duì)海洋能資源研究的區(qū)域性劃分和整體規(guī)劃，國(guó)家海洋局《海洋可再生能源發(fā)展綱要（2013-2016）》中提到我國(guó)將建立三處大型海洋能試驗(yàn)基地布特點(diǎn)和能源需求的情況科學(xué)的進(jìn)行分區(qū)和布局，各科研院校在我國(guó)沿海陸續(xù)研制開(kāi)發(fā)安裝多種海洋能利用試驗(yàn)裝置。這將進(jìn)一步為促進(jìn)海洋能資源開(kāi)發(fā)、海洋能利用技術(shù)的領(lǐng)域研究打下基礎(chǔ)。 1.2 海洋波浪能的資源分布 海洋波浪能是一種動(dòng)能形態(tài)的海洋能，它與其他海洋能相比具有分布廣泛、能流密度大的特點(diǎn)。據(jù)調(diào)查，全球波浪能的總儲(chǔ)量約為 25 億 kW，開(kāi)發(fā)前景巨大。如圖 1.1 所示為全球波浪能能流密度區(qū)域分布圖，圖中可以看出世界上波浪能密度較大的區(qū)域集中于印度洋和太平洋的南部、大西洋北部，太平洋北部等地區(qū)。一般波浪能流密度達(dá)到 2kW/m時(shí)被認(rèn)為可以加以利用，圖中可知全球大部分海洋區(qū)域的屬于可利用的范圍 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析 點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置也稱為振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，原理是通過(guò)海面漂浮的振蕩浮子來(lái)吸收海洋波浪的能量，并通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換方式來(lái)將這些能量轉(zhuǎn)化為電能，點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)采集波浪能的效率較高，制造也相對(duì)容易，成本也較低，適合波浪能能流密度較低的國(guó)家，上一節(jié)中提及我國(guó)波浪能量密度普遍偏小，所以點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置適合在我國(guó)進(jìn)行研究和推廣 1.3.1 早期波浪能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展 世界上各海洋國(guó)家一直都非常重視海洋波浪能領(lǐng)域的探索和研究，最早的波浪能領(lǐng)域發(fā)明專利可以上溯到 1799 年，1911 年，法國(guó)研制了世界上第一臺(tái)海洋波浪能發(fā)電裝置。在 20 世紀(jì) 60 年代，日本首次將波浪能利用裝置商用，研制了供航標(biāo)電能的波浪能裝置。截至 2010 年波浪能利用技術(shù)的專利已超過(guò) 4000 多項(xiàng)，全球范圍內(nèi)各海洋國(guó)家都在積極進(jìn)行波浪能發(fā)電技術(shù)方面的研究，通過(guò)一系列的理論計(jì)算和數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行前期的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并已在實(shí)海況中運(yùn)行多種波浪能發(fā)電裝置樣機(jī)，檢驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性和可靠性。歐洲沿海地區(qū)波浪能資源豐富，所以相關(guān)研究的發(fā)展較突出，其他區(qū)域也在進(jìn)行該領(lǐng)域的積極探索。截至目前已有多種波浪能發(fā)電裝置投入到海洋中運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)。我國(guó)于 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始研究波浪能發(fā)電技術(shù)，中國(guó)科學(xué)院廣州能研究所在“七五”期間建造了我國(guó)首座波浪能發(fā)電站。在“九五”期間國(guó)家海洋技術(shù)研究所在山東省大管島建成我國(guó)第一座擺式波浪發(fā)電站，它采用機(jī)械擺板擺動(dòng)來(lái)收集混凝土澆筑的喇叭形收縮水道中波浪的能量，內(nèi)部通過(guò)液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，設(shè)計(jì)發(fā)電功率達(dá)到 30kW。 1.3.2 波浪能發(fā)電裝置的分類方法 依據(jù)位于蘇格蘭奧克尼群島的歐洲海洋能源中心（世界上第一個(gè)海洋能源中心）的分類方法，將波浪能發(fā)電裝置一次轉(zhuǎn)換、中間轉(zhuǎn)換和二次轉(zhuǎn)換進(jìn)行分類。一級(jí)轉(zhuǎn)換部分采集海洋波浪中具有的能量，通過(guò)如浮體、擺板等結(jié)構(gòu)將波浪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為、；中間轉(zhuǎn)換部分為輔助波浪能的繼續(xù)轉(zhuǎn)換，使采集的波浪能量便于發(fā)電機(jī)使用，二次轉(zhuǎn)換通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能為波浪能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換流程圖，圖中可以看出，一級(jí)轉(zhuǎn)換部分在于通過(guò)振蕩浮子、擺板等不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的構(gòu)件來(lái)采集波浪能量，需要研究海洋波浪的變化規(guī)律和特點(diǎn)來(lái)改進(jìn)這些構(gòu)件的物理參數(shù)達(dá)到波浪能量的有效轉(zhuǎn)換。中間轉(zhuǎn)換部分在于通過(guò)齒輪箱、液壓結(jié)構(gòu)、慣性輪等構(gòu)件將一級(jí)轉(zhuǎn)換部分已經(jīng)轉(zhuǎn)換的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為連續(xù)的、穩(wěn)定的可供發(fā)電機(jī)使用的機(jī)械能量，二級(jí)轉(zhuǎn)換主要通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換至電能，目前一般通過(guò)傳統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)或直流發(fā)電機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)換上述能量，也有相關(guān)裝置應(yīng)用了直線電機(jī)等新技術(shù)。波浪能發(fā)電技術(shù)的重點(diǎn)研究對(duì)象包括一次轉(zhuǎn)換部分、中間轉(zhuǎn)換部分的機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也包括二次轉(zhuǎn)換后發(fā)電機(jī)發(fā)電的并網(wǎng)與調(diào)配等問(wèn)題。 按一次轉(zhuǎn)換中的采集波浪能的方式不同可以分為振蕩水柱式、筏式、越浪式、點(diǎn)吸收（振蕩浮子）式、擺式，鴨式等幾種形式，還包括應(yīng)用了金屬磁流體技術(shù)的波浪能發(fā)電裝置。按裝置固定與否可以分為固定式和漂浮式，按裝置二次轉(zhuǎn)換部分的不同機(jī)械原理可以分為氣動(dòng)式、液壓式和齒輪式。一種典型波浪能發(fā)電裝置的原理示意圖，裝置包括浮體、繩索、直線電機(jī)、錨系系統(tǒng)，當(dāng)浮體附近波浪起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)，振蕩浮子的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)繩索另一端直線電機(jī)的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能，直線電機(jī)位于密封機(jī)箱內(nèi)，防止海水的進(jìn)入。 1.3.3 波浪能發(fā)電技術(shù)的理論研究 由于點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)尺寸可變性大的優(yōu)勢(shì)，目前相關(guān)裝置目前理論研究和設(shè)計(jì)研發(fā)發(fā)展很快，研究主要集中于裝置的波浪水動(dòng)力性能分析、置控制策略如相位控制、反饋調(diào)節(jié)控制等，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化裝置發(fā)電效率、提高裝置安全性能，應(yīng)用新型壓電材料的發(fā)電也已成為重要方向，本文主要涉及裝置的水動(dòng)力學(xué)分析，所以側(cè)重介紹這方面的研究狀況。早在 1981 年，Thomas 等人就總結(jié)了波浪能裝置在波浪流場(chǎng)中的基本特征，對(duì)波浪中浮體間的相互影響進(jìn)行了研究，F(xiàn)alcao 在 2002 年基于線性波浪假設(shè)，對(duì)點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了水動(dòng)力分析，研究了裝置腔體的幾何形狀和入射波的角度對(duì)裝置整體效率的影響。Hals 在 2007 年通過(guò)建立一種頻域和時(shí)域混合模型來(lái)分析雙浮體波浪能發(fā)電裝置的水動(dòng)力響應(yīng)特性，研究相位控制法提高裝置能量轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題，BaBarit 在 2012 年在研究分析中通過(guò)在無(wú)粘性流體動(dòng)力學(xué)方程中添加二次阻尼項(xiàng)來(lái)考慮流體粘性阻尼對(duì)分析的影響。國(guó)內(nèi)包括相關(guān)研究所和院校也進(jìn)行了很多研究，劉應(yīng)中等在 1987 年利用線性三位源匯法分析了在某一水深規(guī)則波浪下船駁組合體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所盛松偉等于 2013 年進(jìn)行了一種點(diǎn)吸收式波浪能裝置的水動(dòng)力分析，對(duì)規(guī)則波浪中裝置浮體的外部阻尼力和激勵(lì)力進(jìn)行了理論演算和裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。中國(guó)海洋大學(xué)的馬哲于 2013年考慮振蕩浮子運(yùn)動(dòng)受負(fù)載影響而對(duì)振蕩浮子施加外界阻尼下的波浪水動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了分析，并針對(duì)不同物理特性的振蕩浮子的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行討論. 1.3.4 波浪能發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)研究 近年來(lái)，點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展較快，有很多點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置已進(jìn)行模型樣機(jī)的水槽實(shí)驗(yàn)，部分已投入實(shí)海況試驗(yàn)和小規(guī)模運(yùn)行。如圖 1.6 所示為英國(guó) AWS Ocean Energy 公司研發(fā) Archimedes Wave Swing 裝置在 2010 年于蘇格蘭附近海域建立的試驗(yàn)實(shí)物和原理示意圖，它的原理是通過(guò)圓柱形浮筒，浮筒由于波浪的作用而起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮筒內(nèi)通過(guò)纜繩錨系直線電機(jī)的機(jī)芯部分并不隨浮筒一起運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)直線電機(jī)的機(jī)芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電我國(guó)波浪能利用技術(shù)具有起步晚、發(fā)展速度快、開(kāi)發(fā)規(guī)模較小的特點(diǎn)，相關(guān)圖 1.7 為中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所研制的點(diǎn)吸收式直線發(fā)電試驗(yàn)裝置 2011 年底在廣州大萬(wàn)山島海域運(yùn)行時(shí)的情況及其原理示意圖，它的裝機(jī)容量是 10KW，波浪作用下，與水下阻尼板固定連接的直線電機(jī)動(dòng)子和與振蕩浮子固定連接的直線電機(jī)定子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電如圖 1.8 和圖 1.9 所示集美大學(xué)海洋能利用團(tuán)隊(duì)研發(fā)的海洋能利用綜合試驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)通過(guò)位于主體兩側(cè)的振蕩浮子列和擺板采集波浪能，通過(guò)垂直軸風(fēng)機(jī)采集海洋風(fēng)能，當(dāng)波浪朝某一方向傳遞時(shí)，平臺(tái)受水力作用會(huì)繞前端錨系浮筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使平臺(tái)主“船體面向來(lái)波方向，從而更好的吸收波浪能，當(dāng)波浪傳遞至平臺(tái)主體時(shí)兩側(cè)振蕩浮子列因波浪不同區(qū)域水浮力作用的不同與主體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這些機(jī)械能被齒輪箱等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能后供艙內(nèi)發(fā)電機(jī)利用。 ? 參考文獻(xiàn) [1] 游亞戈，李偉，劉偉民，等.海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(14)：1-12. 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