坐海底波能摆式发电机构设计

毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 坐海底波能摆式发电机构设计 学生姓名：二级学院： 班级： 提交日期： 目录目 录摘 要VAbstractIV1 绪论61.1 课题背景61.2 波浪能资源分析61.2.1 全球波浪能情况分析61.2.2 我国波浪能情况分析71.3 波浪能发电技术的研究进展71.3.1 国外波浪能发电技术的研究进展71.3.2 国内波浪能发电技术的研究进展82 坐海底波能摆式发电装置方案设计92.1 概述92.2 方案设计92.3整体方案论证112.4具体实施方案113 坐海底波能摆式发电装置的零件设计123.1棘轮与棘爪的设计123.2轴承座的设计133.3圆锥齿轮设计143.4锥齿轮轴的设计143.5轴承透盖的设计153.6输出轴的设计153.7机构底座的设计16II结论18参考文献19致 谢20III 摘要坐海底波能摆式发电机构设计摘 要 通过了解海浪能量的特性，设计出一种坐底式摆式波浪能发电的设备。这种新型的发电设备是建立在之前的摆式波能发电装置基础上，对其相关原件进行某些优化，从而设计出一种高效的波能发电装置。因此从波浪能量吸收技术的观点可以知道：它是利用波浪能采集方式，经过波浪发电装置的能量转换后，再部署给电网，最后在进行发电的一个过程。关键词：摆式波能发电装置，发电装置，波浪能V AbstractSea Sit Wave Energy Power Generation Mechanism of Tilting DesignAbstractBy understanding the characteristics of wave energy, devised an apparatus Tilting wave energy, wherein the mechanical structure and principle in the change, the conversion efficiency is also some changes, resulting in the largest part of the preliminary design phase. Through the use of wave energy technology is more innovation, its related equipment optimized design, so design an efficient wave energy generation devices. From the viewpoint of wave energy absorption techniques we can know: after the traditional use of wave energy acquisition mode, take the second conversion submarines or more wave power device, and then deploy the power grid, giving way to some studies underwater wave energy harvesting devices, wave energy means introducing sit seabed wave energy plant construction and mechanical pendulum ride undersea wave energy plant generating apparatus mechanical structure system design principles.Key words: Pendulor wave power device, Power generation device, wave energyIV 第1章 绪论1 绪论1.1 课题背景什么是人类生存和社会的发展基础呢，那一定就是能源，因为它加快了人类文明的进步和快速发展，但是在另一方面,也引起了大量的问题，比如说在环境方面,使其不停的在恶化，其次二氧化碳的大量排放致使气候变化更加严重，因此破坏了人类的生存环境。结合近年来机动车使用的频繁，从而导致PM2.5含量极具上升,再是因为某些温室气体的排放，从而导致了大雾的现象。自工业革命以来，人类社会不断增长的能源需求，特别是近几十年来，缺乏能源，以煤，石油，天然气等化石燃料驱动的过度捕捞，造成了严重的能源危机。据“BP世界能源统计年鉴（2013版）”显示，中石油仍将是世界的主要燃料，占全球能源消费的33.1，在全球已探明的2012年16700亿桶石油储量的基础上，在以目前的使用速度大约可以开采53年1。以同样的方式计算，可知煤炭的储量可供人类开采50年，此外,在全球已探明的天然气储量可供开采57年。因此为了达到消除能源危机和解决环境问题的目的，唯可再生能源是可以改变这种现象的产物。所以各国政府决定积极开发利用新能源，以改善目前不可再生能源紧缺的状况，并大力落实可再生能源的开发理念。何谓可再生能源,其实就是能解决环境问题，并能够反复利用的一种资源，包括像生物质能，风能，太阳能和地热等等的清洁可再生能源。据评估，对全球海洋能来说，大约有766亿千瓦的可再生能源可供开采的一种说法，可供开发利用的能量可转换为64万千瓦的电能，相当于两次世界总量的发电机。1.2 波浪能资源分析 在海洋能源中,其中波浪能是使用最广的一种能量，它是由动能和势能产生，并且其优点非常的多,具体有以下几方面：它是一种最普遍的能量; 波能流密度极限; 纯洁无杂质; 多种能量之间可以任意的转换3。这就是为什么世界上海洋能源资源丰富的国家一直大力鼓励海浪能源技术的发展的原因。1.2.1 全球波浪能情况分析 据报道在20世纪70年代初，根据海洋资源的海洋浮标数据计算和全球分布的分析，然后在结合波浪发电设备的不断改进和一些专业的评估，可以知道下一步研究的重点在与如何开采波浪能2。关于2012年国家海洋局和大气管理局（NOAA）的全球波可以用下面的结果评估：全球总的P波是2.110.05tw，可用的能量是96.61.3GW，效率为4.6%。此外从波浪能资源评估中可知,在北美国的总波能资源和自然资源不是特别丰富，一般可以考虑使用超过2千瓦时的电能。因此可以得出，世界上海洋波浪能流密度较密集的在南半球，比如说澳大利亚南部高达100千瓦/米的波能流密度，这样也会直接影响到北半球的一些国家；而且有少许的波能流密度在北半球，一般规模较小的约（30 50）千瓦/米，在大西洋海洋低纬度海域的北印度洋达到（10-20）千瓦/米，而在东海和南海大约是10KW /米以上。1.2.2 我国波浪能情况分析 我国有两条海岸线，分别是大陆海岸线与岛屿海岸线，其长度分别是18000公里与14000公里。据悉，海洋的总能量约为8108K。根据波浪观测数据统计下来可知，我国波能量的空间分布极不平衡，特别是在我国沿海省份。在这当中，台湾省沿海岸的电力达到5291.22mw，占总数的三分之一，其次是广东、浙江、山东、和福建的沿海的湖泊，大约有7062.36mw，约占全国总数的55%；相对来说其他省海岸很少，约占144 563mw，广西海岸最少，才占80.9mw3。据显示，我们可以看到的波能量密度低，但在低能量范围内，其分布一般是在大陆岛屿沿海岛屿。可以详细的分为：渤海海峡7.73kw /平方米，岛的南北两端6.21 6.36kw / 平方米，浙江6.29kw /平方米，海坛岛以及福建以北是5.32 5.11kw/平方米 ，以南和以西是4.05kw /平方米，以东是3.62kw /平方米以上，此外其平均波高超过5m，是国家沿海波功率密度最高、最丰富的地区。再者就是北部和南部的沿海地区，将达到2.76 2.86kw /平方米，然后就是台湾地区达到2.25 2.48kw / 平方米。另外，也有可能会只达到1.50kw /平方米或者是更少。除了与地区有关也可以知道波能量密度也会随着季节的变化而变化，因为在中国沿海地区的季节气候会使得大部分地区的波浪功率密度发生显著变化。一般春季和夏季的波能通量密度的变化趋势更高，而总体的变化趋势大部分是在秋冬季节。比如说浙江以南的地区，由于受台风的影响，会使得春末和夏初波功率密度更大，甚至有可能接近今年的最高值。比如说以下岛屿及其附近的波功率密度会随着季节的变化而变化，如北皇城，龙口、特立尼达、大陈、台山、西沙等地。1.3 波浪能发电技术的研究进展1.3.1 国外波浪能发电技术的研究进展 近两个世纪所开发的第一项专利就是波浪能发电装置，早在1799年，波的能量便得以被利用。依次被下列国家所开发，首先在法国，后来是英国，挪威，日本，美国，葡萄牙等国。但目前在世界上，波浪发电技术比较发达的是英国和日本。而英国拥有世界上最好的波浪能资源，并决定在1970年将波浪发电作为新能源发展的主要课题。在80年代初，英国在这方面的研究发展处于世界领先的地位4。在20世纪90年代，英国便已经在苏格兰兰伊岛和奥斯本海岛建成了75kW的振荡水柱波电厂和20000KW岸边波浪能发电厂。在 1995年8月，英国在克莱德河口海湾研制出2000kW的波浪能发电装置，这是世界上第一个商用波浪发电设备。 在2000年11月，英国研制出一个名为 “海蛇”的波浪能发电装置，作为当时世界上最成熟的波能量转换装置。还有一些国家也在研制，比如日本，日本作为一个土地稀缺的岛国，资源并不是很丰富，却也通过利用海洋波浪能发明出一种波能发电装置。就在1980年，日本在海岸口建设了一个125kW的发电站，最具有代表性的发电装置就是名为“海明”的无动力船，很适合提供岛屿发电，且拥有1250KW的总装机容量，被建于20世纪80年代初，是当时日本最大的波浪能量转换装置。在 1998年7月，日本又已经开始研制出另一个名为“（鲸鱼威武）”的海浪发电设备，该装置比较之前的发电装置有了很大的提升，并且转换效率极高。总之波浪发电研究始于挪威，尽管起步较晚，才在进入20世纪70年代的时候有所贡献，可却在波浪能发电的领域还是处于国际先进水平，并得到政府的大力支持，在80年代后期的后半部分，挪威科学家提出了泡沫收缩通道波能装置和相位控制原理后，就在1986年，建成了一个500千瓦振荡水柱波电站。近年来，平行板波能量模块与波筏链的组装和气动波浪能量转换系统是美国波能源研究的重点。 2011年4月美国OPT浮桥PB150波浪发电设备正在使用，额定功率150千瓦，每个工厂可满足150家的用电需求。除了这些国家，其他国家是澳大利亚，葡萄牙，荷兰，丹麦，瑞典，加拿大，印尼等国家开展了一系列波浪发电研究和开发。出现了一系列能源危机，仍然有不少国家继续投资其中。据不完全统计，大约有28个国家的科学人员参与研究波浪能发电设备，开发超过800兆瓦的总容量，以及数次 现场发电，增长年率2.5和10。1.3.2 国内波浪能发电技术的研究进展 波浪能技术研究始于上个世纪，上海的第一波能源研究的崛起，中国的波浪能源的研究已被列入国家重点科技研究项目。 在1975年，中国的发展已经研制出一个1千瓦的波浪发电浮标，1984广州能源研究所研制成功了小型水电6W手段的导航标，后来不断开发和并已经商业化生产。 在1989年，中国在珠海市万山岛建成第一座海上的波能发电装置， 并于1996年2月试制成功 5。从1989年开始，广州能源研究所开始研究波器件并开始设计，在通过不断的潜心研究，最后研究成功 。 在“九五”期间，广州能源研究所早在汕尾市建立和运行岸边振荡水柱波能量型动力装置，于1996年12月开始建设，于2001年2月研制成功。对于波浪能发电装置来说，有着至关重要的意义。 在1999年9月，中国山东省大管岛建立了一个钟摆波浪发电设备，拥有着100千瓦的电厂装机容量，并已经初步研制成功，取得了不错的发电效率。然而我国波浪能的开发相对于其他国家较迟，但通过这些年的发展也取得了较大的成就。现在我国的波浪能开发利用在世界上也较为发达，技术水平也已经已经相当成熟，并已经处于商业化的阶段了。但在某些方面，我国的技术水平还是不够的，好比设备的稳定性和可靠性还有待提高，相信在不久的将来在这一方面会发展的更好。20 第2章 坐海底波能摆式发电装置方案设计2 坐海底波能摆式发电装置方案设计2.1 概述 通过了解海浪能量的特性，从而设计出一种新型的波能发电的设备，其中，当机械结构和原理变化时，其转换效率也随之发生变化。通过利用海浪能量进行发电的技术是比较有创新性的，它是在相关设备下进行了些优化设计，使其更具新颖性。从波浪能量吸收技术的观点可知：传统的利用波浪能采集方式,是通过波浪发电装置第二次转换后，再部署电网，从而进行发电的过程。 2.2 方案设计对于上述问题，设计出一种新型波浪发电机构,首先由波浪推动摆板，然后由于摆动板固定在锥齿轮轴上,从而带动锥齿轮轴转动，最后带动驱动装置。所述的驱动装置，由第一锥齿轮，第二锥齿轮和第三锥齿轮等组成，其中，所述第一锥齿轮固定在锥齿轮轴上，此外，与第一锥齿轮相互啮合的第二锥齿轮和第三锥齿轮分布在同一轴线上，同时匀称分布在第一锥齿轮两侧，并分别与第一锥齿轮相互啮合在一起，其中第二锥齿轮和第三锥齿轮分别通过棘轮离合器与输出轴相连，输出轴经由联轴器与发电机相连。此外，第二锥齿轮与第三锥齿轮空套在输出轴上，也就是两个锥齿轮与输出轴不一起转，然而棘轮通过键连接固定于输出轴上，棘爪的一端被固定在两个锥齿轮上，另一端被放置在棘轮齿上，当棘爪拨动棘轮时，会带动棘轮转动,从而带动输出轴转动，这就是本次方案的机械结构设计。 图2.1机构装配图 图2.2 棘轮离合器图中标号说明： 1 、阻尼箱； 2 、摆板轴轴承座； 3 、摆板轴； 4 、摆板； 5 、输出轴轴承座； 6 、第二底座； 7 、输出轴轴承座； 8、摆板轴轴承座 9、第一底座10、发条阻尼器 11 、螺钉 12 、第一锥齿轮 13 、轴承 14 、轴承透盖 15 、第二锥齿轮 16 、轴 17 、键 18 、调整垫片 19 、轴承 20 、止动垫圈； 21 、圆螺母 22 、毡圈 23 、螺钉 24 、套筒 25 、挡环 26 、棘轮 27 、棘轮齿 28 、棘爪 29 、棘轮离合器本实用新型摆式波浪能发电装置工作时，摆板4在波浪能作用下，摆板轴3发生转动，从而带动摆板轴上的锥齿轮转动，由于其两端分别与第一锥齿轮12和第二锥齿轮15相啮合，当其向一个方向转动时，与其相啮合的第一锥齿轮12和第二锥齿轮15的转向是相反的。由于第一锥齿轮12和第二锥齿轮15上均固定了棘爪28，图中以四个为例，在摆板轴上的锥齿轮的带动下，使第一锥齿轮12和第二锥齿轮15中的棘爪28的推动方向也是相反的。根据上面的装配图详细介绍下它的工作原理,当摆板轴3带动它上面的锥齿轮顺时针转动时，也就是说该锥齿轮向摆板轴3方向上看，该锥齿轮带动第一锥齿轮12逆时针转动，从而带动第一锥齿轮12上的棘爪28顺时针运动，进而使第二锥齿轮15上的棘爪28带动与其相配合的棘轮26逆时针转动，通过棘轮26带动输出轴16 逆时针转动。同时，该锥齿轮 带动第一锥齿轮12顺时针转动，从而带动第一锥齿轮12上的棘爪28顺时针转动，第一锥齿轮12上的棘爪28在与其相配合的棘轮26上滑过，即通过键连接固定在输出轴上的棘轮26不发生转动，不会产生影响。反之，当摆板轴3 带动该锥齿轮逆时针转动时，原理同上，此时该锥齿轮 带动第一锥齿轮12逆时针转动，从而带动第一锥齿轮12上的棘爪28逆时针运动，进而使第一锥齿轮12上的棘爪28带动棘轮26逆时针转动，通过棘轮26带动输出轴16逆时针转动。同时，该锥齿轮 带动第二锥齿轮15顺时针转动，从而带动第二锥齿轮15上的棘爪28顺时针转动，第二锥齿轮15上的棘爪28在棘轮26上滑过，即通过键连接固定在输出轴16上的棘轮26不发生转动，不会产生影响。通过这种棘轮离合器，使波浪能在两个方向输入时均可吸收，使输出轴16都能以同一方向输出，达到了全波浪吸收的效果，大大提高了波浪能的吸收效率。输出轴7通过联轴器与发电机相连接，最终将机械能转化成电能。2.3整体方案论证根据以往的研究成果可以在波浪能装置的研究现状和发展都不是很成熟，很多缺点，如收缩通道式发电装置，转换效率低，并在海边占用空间大，无冲击漂浮电力传输推广;岸式波力意味着更高的环保要求等。该方案采用纯吸收机械能和波浪能，转换效率高，占地面积小，维护方便，便于电力传输的转换，使其具有高价值的研究意义。2.4具体实施方案根据此波能装置可以提高捕集效率，依靠浮动浮力和锥齿轮自身重力推动棘爪，棘爪带动输出轴转动，最后传输至发电机，顺序如下：波能量捕集、传动装置、发电机。 第3章 坐海底波能摆式发电装置的零件设计3 坐海底波能摆式发电装置的零件设计3.1棘爪和棘轮的设计1） 棘轮的设计该棘轮应具有带动输出轴同方向转动的目的，并通过键连接固定在输出轴上，然后根据机械零件手册确定棘轮的尺寸参数如下，其棘轮示意图如下所示： 图3.1.1 棘轮示意图 2） 棘爪的设计通过查阅机械零件设计手册确定棘爪的爪尖圆角半径应稍大于棘轮的圆角半径，且能使得棘爪可以完全推动棘轮转动，因此选取棘爪尖圆角半径=3mm，厚度=10mm，其设计如图3.12所示：图3.1.2 棘爪3.2 轴承座的设计该轴承座主要是用来支撑住输出轴及其轴上零件，因此通过查阅相关摆式波浪能发电装置的硕士论文以及综合考虑本装置的输出轴轴端直径等一系列因素，设计图样如下图所示：图3.2 轴承座3.3 圆锥齿轮设计该圆锥齿轮主要是用来带动固定在其身上的棘爪转动，通过查阅机械零件设计手册、机械设计基础书以及结合海洋波浪能的特性等诸多因素，设计图样如下图所示：图3.3 圆锥齿轮3.4 锥齿轮轴的设计 该锥齿轮轴主要是用来把所吸收的波浪能传递到输出轴上，且其轴端安装了一个通过键连接固定在其上的发条阻尼器，主要是用来改变摆板的转动方向，可以更好的吸收波浪的能量，已达到全波吸收的效果，因此通过查询相关资料,设计图样如下图所示：图3.4 锥齿轮轴3.5 轴承透盖的设计 该轴承透盖主要是用来实现轴承的轴向固定，因此查询相关资料并结合轴端直径等因素考虑，设计图样如下图所示：图3.5 轴承透盖3.6 输出轴的设计该输出轴主要是将机械能转化为电能并支撑着圆锥齿轮以及棘轮等轴上零件，因此通过查阅相关资料以及考虑在该装置中轴所受的载荷等影响，设计图样如下图所示：图3.6 输出轴3.7 机构支座的设计该机构底座主要是用于支撑住整个传动机构，可以很好的稳固在海底，顶住波浪的涌动，使得该机构在能量传输的时候更加稳定，不受波浪的影响。因此我通过了解波浪能的特性以及结合设计的整个传动机构的总体大小等因素设计出如下图样，具体图样如下所示：图3.7 机构支座 结论结 论本次毕设主要是完成一种摆式波浪能发电机构的主体结构，通过查阅网上的相关资料，在结合自己对该课题的理解，完成了该发电机构的设计。简单来说主要是设计一种波浪吸收装置，将波浪的动能转换为机械能，最终转换成电能。主要工作原理是当波浪能推动转轴上的摆板，使得转轴往复转动，又因为转轴上固定着一个锥齿轮，转动的时候会带动与其相啮合的两个锥齿轮转动，进而会带动固定在锥齿轮上的棘爪拨动棘轮，又因为棘轮通过键连接固定在输出轴上，所以当棘轮在在转动的时候，输出轴也会跟着转动，由于发电机的转轴通过联轴器与输出轴连接在一起，进而使发电机进行发电。较之前的发电装置，可以实现全波浪吸收，发电效率也会有很大的提升，因为我在轴端处装着一个发条阻尼器，它可以改变摆板的转动方向，也就是不管波浪朝哪个方向推动摆板，都可以很好的吸收能量，将其通过机械能的方式转换成电能，最后在部署电网将电传输至需要的地方。 参考文献参考文献1 李允武 .海洋能源开发M .海洋出版社 .2008 .138-1782 苏亚欣 .新能源与可再生能源概论M .化学工业出版社 .20063 王革华 .新能源概论：第二版M .化学工业出版社 .20124 “创新2050：科学技术与中国的未来”战略研究组 .中国至2050年海洋科技发展 路线图R .科学出版社 .20095 国家海洋局海洋发展战略研究所课题组 .中国海洋发展报告R .海洋出版社 .20076 王长贵，崔容强，周篁 .新能源发电技术M .中国电力出版社 .20097 成大先 .机械设计手册：第五版M .化学工业出版社 .20108 陈国华 .机械结构及应用M .机械工业出版社 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