海能發(fā)電機(jī)論文

1、學(xué)校 北華航天工業(yè)學(xué)院 參賽類別_ 科技A類 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽作品申報(bào)論文多浮子式波浪能發(fā)電機(jī)Multi-float Wave Energy Generator 沈體強(qiáng) 陳曉松 楊雷 楊建 曹穎 指導(dǎo)老師：趙先仲（教 授）2011年4月中文摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人類對能源的需求量越來越大，由于目前主要的能源不具有可再生性，導(dǎo)致了能源危機(jī)不斷出現(xiàn)而成為社會(huì)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。目前,以波浪等形式存在的海洋能源是地球上最具潛力的能源，具有無污染、可再生等其他能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。 因此，我們利用海洋波浪具有的勢能來驅(qū)動(dòng)波浪能發(fā)電機(jī)的浮子往復(fù)振動(dòng)，通過機(jī)構(gòu)中的杠桿將浮子

2、上下振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成圓盤組的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，再通過與圓盤組同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)齒輪帶動(dòng)被動(dòng)齒輪使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，我們設(shè)計(jì)了帶有多浮子的杠桿組來配合圓盤組，以達(dá)到將波浪能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能的目的。就目前發(fā)展的波浪能發(fā)電機(jī)而言，大多有機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造費(fèi)用高、機(jī)械維護(hù)較為困難、二級轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)電不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。我們通過研究和分析，針對波浪能是一種不穩(wěn)定的能源，設(shè)計(jì)出了一種多浮子式波浪能發(fā)電機(jī)，可達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)換效率，而且結(jié)構(gòu)簡單，總成本低，適用于大范圍的推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞：波浪能；圓盤組；轉(zhuǎn)換效率；多浮子式Abstract: With the economic and social development,

3、human demand for energy increasing, the current does not have a major renewable energy, energy crisis has led to emerging social development and become a bottleneck. At present, the ocean waves and other forms of energy exist on earth the most potential energy, with non-polluting, renewable energy s

4、ources do not have other advantages. Therefore, we use the potential energy of ocean waves with a wave energy generator to drive the float back and forth vibration of the rod through the body would float up and down in the vibration energy into kinetic energy of rotation of disk groups, and through

5、the coaxial rotation with the disk group The driving gear driven generator passive gear to spin up; same time, we designed a multi-lever group with a float to match the disk group to reach the stability of wave energy into electrical energy stored purposes. On the current development of wave energy

6、generators, the most of a complex mechanical design, manufacturing, high cost of mechanical maintenance more difficult, two low conversion efficiency, generating instability and other shortcomings. Through research and analysis for wave energy is an unstable source of energy, designed a multi-float

7、type wave energy generator, can achieve high energy conversion efficiency and simple structure, the overall low cost, for large the scope of application.Key words: wave energy; disk group; conversion efficiency; multi-float1研究背景和意義21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，人類從大海中利用資源已成為必然趨勢。海浪總是周而復(fù)始，晝夜不停地拍打著海岸，其中所蘊(yùn)藏的波浪能是一種取之不盡的可再生

8、能源，有效利用巨大的海洋波浪能資源是人類幾百年來的夢想。波浪能具有能量密度高、分布面廣等優(yōu)點(diǎn)。它是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季，可利用的波浪能能量也最大。并且，小功率的波浪能發(fā)電已在導(dǎo)航浮標(biāo)、燈塔等獲得推廣應(yīng)用。 雖然現(xiàn)在波浪能發(fā)電裝置五花八門，通常的采集系統(tǒng)形式有波力發(fā)電船式、點(diǎn)頭鴨式、波面筏式、環(huán)礁式、整流器式、海蚌式、軟袋式、振蕩水柱式、多共振蕩水柱式、波流式、擺式、結(jié)合防波堤的振蕩水柱式、收縮水道式等十余種，但都在不同程度上有著機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造費(fèi)用高、機(jī)械維護(hù)較為困難、二級轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)電不穩(wěn)定等不足之處。為了達(dá)到更好的整體效果，使波浪能發(fā)電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡單

9、、成本低廉，而且可靠性好，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，我們設(shè)計(jì)了多浮子式波浪能發(fā)電機(jī)，以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對能源的大量需求。2研究內(nèi)容與方法經(jīng)過對現(xiàn)有常用波浪能發(fā)電裝置的能量采集系統(tǒng)、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)的分析，我們確定了研究的方向，就是要解決發(fā)電裝置的二級轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)電不穩(wěn)定和制造費(fèi)用問題，以提高波浪能發(fā)電機(jī)性能的可靠性和穩(wěn)定性；另外，我們精心設(shè)計(jì)了波浪能發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀，以使我們的作品在性能和成本兩方面達(dá)到比較好的平衡。通過先局部后整體的研究方法，我們首先對我國海域波浪的各種參數(shù)進(jìn)行了研究和歸納，總結(jié)出了我國沿海的有效波高和波浪的大概生成周期，再根據(jù)我們給波浪能發(fā)電機(jī)設(shè)定的輸出功率值，便可以大致地確定了浮子的

10、大小，接著就可以確定杠桿和圓盤組的參數(shù)、波浪能發(fā)電機(jī)的基本尺寸、大概的形狀和各種機(jī)構(gòu)之間的組合關(guān)系，最后，我們著重對浮子的形狀、裝置的外形進(jìn)行了優(yōu)化，使我們設(shè)計(jì)的多浮子式波浪能發(fā)電機(jī)更加完善。3研究結(jié)果及分析通過對我國海域波浪參數(shù)的收集，得出我國沿海有效波高約為1.53m、周期為9s的波列，由于在海浪中發(fā)電機(jī)殼體也會(huì)上下運(yùn)動(dòng)，為盡量避免這一現(xiàn)象，我們在發(fā)電機(jī)殼體的下面系一重物，并使重物處在靜水層（約海水表層10米以下的深處），這樣便可使發(fā)電機(jī)殼體幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而我們可基本確定浮子的振動(dòng)幅度為0.8米左右（這里我們按最低估計(jì)）。為使發(fā)電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，我們確定圓盤組中每個(gè)圓盤的齒（圓柱體）數(shù)n

11、為16個(gè)，根據(jù)圓盤半徑R為100mm，可得任意相隔一個(gè)齒的兩齒（圓柱體）之間的角度為45度，而杠桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可以與齒發(fā)生干涉的角度45度（以圓盤的圓心角計(jì)），從而可得在任意時(shí)刻，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中必有兩個(gè)齒與其發(fā)生干涉，再加上單向閥的作用，便可保證圓盤組連續(xù)單向的轉(zhuǎn)動(dòng)。我們設(shè)定波浪能發(fā)電機(jī)的輸出功率為1.2kw，根據(jù)公式T×=P，（其中T為圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩，角頻率，P為波浪能發(fā)電機(jī)的輸出功率）得T=P/,由我國沿海波浪周期平均為9s，可計(jì)算出杠桿的角頻率（約與波浪角頻率相同），由于杠桿阻力臂約是圓盤半徑的1.5倍，則的值應(yīng)約為杠桿角頻率的1.5倍，又兩齒輪的傳動(dòng)比為73/184(則作用

12、于主動(dòng)齒輪上的扭矩是作用于被動(dòng)齒輪的扭矩的4倍，被動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角頻率是主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角頻率4倍)，則T=1200×9/(2×1.5×42)=71.66N·m，則杠桿作用在圓盤齒（圓柱體）上的力F=T/R=71.66N·m/100mm=716.6N，根據(jù)杠桿的動(dòng)力臂與阻力臂之比為7，則可得出波浪作用于浮子的浮力F'=716.6N/7=102N，由浮力的計(jì)算公式可得出浮子的排水量V，則排水量V=F'/g0.0104立方米。為使浮子形狀滿足排水量和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，我們將浮子設(shè)計(jì)為圓柱體，一是圓柱體側(cè)面有球面的性質(zhì)，二是圓柱體有兩底面，

13、比球體等其他形狀少占空間，可減小裝置的大小，我們設(shè)計(jì)的浮子大小為底面半徑為125mm，高為140mm，若考慮圓角，此浮子的體積為0.0067立方米，大于計(jì)算出的排水量的一半V/2。由于我國沿海波浪大約是周期T為9s的波列，由于浮子的振動(dòng)頻率幾乎與波浪的頻率完全一致，則浮子與圓盤圓柱齒作用一次所用的時(shí)間為周期T的1/4即2.25s，也就是說在波浪振動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)浮子可與與圓盤圓柱齒作用作用兩次，根據(jù)線性海浪理論，海浪為振幅、頻率、波向和相位不同的許多正弦波疊加的結(jié)果，而我們共設(shè)計(jì)了8個(gè)浮子(一邊4個(gè))，8個(gè)浮子所覆蓋的區(qū)域存在著許多獨(dú)立的波浪進(jìn)行疊加（其疊加后的周期會(huì)更短），所以至少會(huì)有兩個(gè)浮子

14、同時(shí)做功，這樣便可在任意周期內(nèi)使圓盤組不斷旋轉(zhuǎn)，也可實(shí)現(xiàn)達(dá)到波浪能發(fā)電機(jī)預(yù)定功率所需要的排水量，從而可以很好地實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電機(jī)的功能要求。4機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1.1一級轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 4.1.2二級轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)4.1.3三級轉(zhuǎn)換裝置4.1.4結(jié)構(gòu)組裝圖4.1.5總體效果圖4.1.6主要尺寸設(shè)計(jì)圓盤主轉(zhuǎn)軸支架杠桿單向閥、5功能分析浮子的功能是獲取波浪的能量并將其傳遞給杠桿；杠桿的功能是增大作用于圓盤上的力，使波浪能發(fā)電機(jī)具有一定的扭矩來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功率；圓盤組的功能是使多個(gè)浮子可以同時(shí)工作，并使齒輪大致以一個(gè)固定的速度旋轉(zhuǎn)，從而使波浪能發(fā)電機(jī)輸出的電能較為穩(wěn)定，便于儲(chǔ)存；齒輪組的功能是增加發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高發(fā)電功

15、率。單向閥的功能是保證圓盤組和齒輪向一個(gè)固定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使波浪能發(fā)電機(jī)能連續(xù)發(fā)電（兩側(cè)的單向閥的安裝方位是相反的，從而實(shí)現(xiàn)圓盤組的單向轉(zhuǎn)動(dòng)）。重物的功能是使殼體相對于浮子較為穩(wěn)定，從而使波浪的能量較為充分的轉(zhuǎn)化（重物系于波浪能發(fā)電機(jī)殼體下，位于海洋表層以下約10m，其未在效果圖中畫出）。6問題與討論在波浪能發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的過程中，由于波浪能是一種不穩(wěn)定的能源，如何使發(fā)電機(jī)輸出的功率較為穩(wěn)定便成為了一個(gè)難題。如何通過簡單的機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的能量呢？我們通過組內(nèi)成員之間的討論和分析后，確定了一種機(jī)構(gòu)即將波浪能發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為多浮子式，并加入儲(chǔ)能器的輔助，便可以很好地解決波浪發(fā)電機(jī)功率輸出不穩(wěn)定的現(xiàn)象

16、。為了實(shí)現(xiàn)圓盤組和齒輪向一個(gè)固定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使波浪能發(fā)電機(jī)能連續(xù)發(fā)電，我們經(jīng)過討論設(shè)計(jì)了單向閥，使杠桿只向一個(gè)方向撥動(dòng)圓盤。還有一個(gè)就是浮子形狀的確定，起初我們將其設(shè)計(jì)為球體，但經(jīng)過指導(dǎo)老師分析，我們改變了想法，開始尋找其他合適的形狀。最終，我們從總體的角度考慮，將浮子形狀設(shè)計(jì)為圓柱體。7結(jié)論一般來說，100kw以下的小發(fā)電機(jī)效率在80%-90%，所以本項(xiàng)目如果再做進(jìn)一步的研究和設(shè)計(jì)后，其轉(zhuǎn)換效率將不會(huì)低于50%，相比于現(xiàn)有的波浪能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率是比較有發(fā)展前景的。多個(gè)浮子可以使發(fā)電裝置在單位面積上最大限度地捕獲波浪的能量，從而提高了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)可保證能量相對穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化和輸出。對于我們的裝置，其總體結(jié)構(gòu)較簡單，且整體費(fèi)用低，能量轉(zhuǎn)換和輸出比較穩(wěn)定，適用于大范圍的推廣應(yīng)用。8參考文獻(xiàn) 1 htm 2 3 左然，施明恒，王希麟主編可再生能源概論北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20076 4 艾德生，王革華主編新能源概論北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20067致謝 在論文完成之際，我要特別感謝我