毕业设计（论文）-海洋波浪力发电机械的设计.docx

山东大学（威海）毕业论文 毕业论文（设计）设计(论文)题目海洋波浪力发电机械的设计姓 名：学 号：学 院：机电与信息工程学院专 业：机械设计制造及其自动化 年 级2012级指导教师：2016年5月10日目 录摘 要1Abstract2一、绪论3（一）研究背景及意义31.能源发展趋势32.波浪能发电装置开发的意义3（二）波浪能发电的国内外研究现状41.波浪能发电的能量转换基本过程42.常用波浪能能量转换装置53.振荡浮子式波浪发电装置浮子形状研究现状9（三）研究方案10（四）装置的具体工作过程11二、波浪参数的选择和计算12（一）波浪参数的选择12（二）波浪能量的计算13三、波浪采集装置的设计计算及优化14（一）波浪采集装置工作原理14（二）浮子运动微分方程的计算15（三）浮子尺寸的确定16四、装置总效率的理论估算19（一）浮子振荡能量的计算19（二）能量转换过程效率计算191.采集系统波能吸收效率192.机械能转换效率的估算19（三）发电机的选择21五、机械传动机构的设计及计算22（一）换向增速齿轮箱运动分析22（二）确定各级传动比23（三）齿轮的设计计算及校核241.按照齿面接触疲劳强度设计242.按照齿根弯曲疲劳强度设计263.几何尺寸计算274.圆整中心距后的强度校核27（四）轴的设计计算及校核281.确定轴的最小直径282.轴的校核计算30（五）键的设计计算及校核33（六）零件的互换性设计及装配要求341.零件的配合要求342.零件的公差要求34六、箱体的设计和装置的固定35（一）装置的固定35（二）防护罩的设计36（三）波浪发电装置的经济性评价36七、总结36（一）本文工作及创新点36（二）存在不足和改进措施37参考文献38附 录40谢 辞51全套图纸加扣3012250582 摘 要随着传统能源的日益枯竭，新能源成为人们研究的热点。波浪能作为清洁无污染，在全球蕴含的总能量丰富的能源，具有良好的开发利用前景。本文主要设计了一种小型的振荡浮子式波浪发电装置单元，旨在提高装置对波浪能的吸收利用率。首先，设计能够吸收全周期波浪能量的闭环式浮子波能采集系统，应用MATLAB分析初选的不同直径的浮子的运动响应曲线，确定本设计中浮子的形状尺寸，为后续设计提供依据并估算装置的理论总效率。然后，设计基于一对单向轴承的换向增速机械传动机构，充分利用吸收的波浪能。设计并校核齿轮和传动轴，应用SolidWorks Simulation对传动轴进行静应力和疲劳分析。简要设计装置的防护罩，确定装置的固定方式。应用SolidWorks对装置进行三维建模，绘制关键零件的工程图。关 键 词振荡浮子，波浪发电装置，最大波能捕获，效率 AbstractWith the growing consumption of conventional energy sources, renewable energy resources become a hot issue of concern all over the world. The prospect of wave energys development and utilization is good, because wave energy is abundant, clean and pollution-free. The oscillating buoy wave energy device which increases the rate of absorption and utilization of wave energy is studied in this paper. First, the closed-loop oscillating buoy wave energy acquisition system is designed to absorb the full cycle of the wave energy. The buoy s movement response curve is analyzed using MATLAB. The shape and size of the buoy are selected. The theoretical overall efficiency of the device is estimated. Then, the mechanical transmission based on a pair of unilateral bearings changes bidirectional rotation into unidirectional rotation. The transmission gears and shafts are designed and checked in the software SolidWorks Simulation with the analysis of static stress and fatigue. The fixing device, the protective steel container and economy of the device are briefly recommended. The three-dimensional entity sculpts for the device based on SolidWorks and two-dimensional drawings for components based on AutoCAD are built. Key WordsOscillating Buoy, Wave Energy Converter, Maximum Power Capture, Efficiency一、绪论（一）研究背景及意义1.能源发展趋势在人类的发展过程中，已经经历了四个能源利用阶段，分别是柴草时期、煤炭时期、石油时期和多元化新能源时期。现在，世界上的常规能源如煤炭、石油和天然气等的消费量将逐渐枯竭。据估计，若按目前世界经济发展对能源的消耗速度来计算，全球的石油储量、煤炭储量、天然气储量分别只能够使用约45年、200年和50年1-3。伴随着经济快速发展，能源消耗进一步加剧的同时，环境污染也进一步恶化。为了人类的可持续发展，世界将从主要依靠传统能源向主要依靠新能源发展，新能源的开发和利用得到了广泛的关注。作为一个石油、天然气较为匮乏，煤炭资源相对丰富的国家，我国在经济发展的同时消耗了大量的煤炭。国家能源局的数据显示，14年时火电发电量占总发电量的75.2%4。近年来，环境污染问题日益凸显，雾霾天气影响人们的正常生活，新能源的开发利用迫在眉睫。“十三五”规划的建议中明确指出了今后应该加强新能源的相关技术创新，加快建设现代能源体系。此外，“十三五”规划中提到的电力体制改革也为今后新能源的发展解除了后顾之忧4。在新能源发展的过程中，“弃风弃光弃水”的现象一直为人诟病。其主要面临的问题是新能源发电无法上网。电力体制的改革提出加强储能和智能电网的建设，同时根据需要调峰调频，这些政策都为新能源发电提供了保障。新能源主要包括：核能、风能、太阳能、海洋能、生物质能等，目前这些可再生能源的利用率仅占世界能源利用的3%5。海洋能与其它新能源相比，是品质最好的能源之一，具有很高的能量密度，不占用土地，不产生污染，具有良好的开发利用前景。据估计，海洋约占地球表面的71%，全世界蕴藏的海洋能量达到了750多亿千瓦，能源丰富，亟待进一步开发利用6。海洋受太阳、月亮等星球的引力以及地球自转、太阳辐射等因素的影响。能量以热能和机械能的形式储存在海洋里。目前，海洋能中主要包括潮汐能、波浪能、洋流能等动能量，盐差能、温差能、渗透能等资源7。其中，潮汐能的开发利用已经相对成熟，但其受时间、地域影响较大。波浪能主要是海水的动能和势能，在海洋中处处都有，且能流密度大，受时间地域影响小，克服了潮汐能应用的局限性。如果能够合理充分的利用波浪能，将会产生更大的实用价值。2.波浪能发电装置开发的意义目前，各国对于波浪能的开发利用都处在初级阶段，大多波浪能发电装置都是处于海上试验阶段，能够达到成熟稳定独立发电的技术还有待于进一步研究。由于波浪发电装置的建造成本高，发电效率相对较低，使波浪发电的成本与传统发电成本相比高出数倍，阻碍了其投入商业化的进程。研究改进波浪能发电装置，推动波浪能发电商业化进程，将为未来能源发展提供重要保障。就海洋资源来说，在太平洋，大西洋东海岸的部分区域波浪功率密度可以达到3070kW/m，某些地区甚至能达到100kW/m，而太平洋西岸等海域年平均波浪功率密度仅为27 kW/m7。美国、英国、法国、澳大利亚等位于波浪能能流密度较大的海域，这些国家的研究注重波浪能源的大规模利用。中国的海域波浪能能流密度相对较小，且海洋发电装备的建设相对落后8。针对以上情况，我国在开发利用海洋能源时，在借鉴他国成果的同时，更应该加快自主创新的脚步，设计适合中国海域的海上发电设备，注重将海洋能作为特殊能源使用，将波浪发电与远离陆地的海岛或海上需求相结合，如为海上监测设备、海水淡化、制氢等提供能源。在建设后续能量收集及并网技术的基础上，波浪能发电可以为临海的渔村，航标灯等固定地点供电。此外，波浪能发电还可以为海上监测设备，无线传感网络供电。海上监测设备，无线传感网络现在主要利用太阳能电池，锂电池等进行供电。太阳能电池易受天气影响，锂电池使用寿命有限且更换不方便，且废弃的电池会对环境造成污染。因此，设计适合海上监测设备使用的波浪能发电装置，为设备永久供电，不仅可使设备的监测稳定性提高，还可以降低使用维护成本。波浪能发电具有可观的实用价值，且还有很大的发展空间，可在军事、工业、商业等领域内得到广泛的应用。（二）波浪能发电的国内外研究现状波浪能是海洋表面的波浪在风的作用下具有的动能和势能。据估计，全球波浪能功率超过700亿kW，其中约有2030亿kW可以进行开发利用6。丰富的波浪能源让各国都开始研究如何利用波浪能发电。目前，已经研究出上百种利用波浪能发电的方法。波浪能发电装置设计的可靠性也得到了进一步的提高。据不完全统计，目前已有28个国家或地区建设波浪发电站上千座，建站数量以每年2.5%的速度上升，发电功率则是每年增加10%左右，总装机容量超过80万kW6。1.波浪能发电的能量转换基本过程波浪能发电主要有三个能量转换过程9。能量收集环节利用装置将波浪的动能和势能收集起来，转换为气压能、液压能、水位能。中间转换环节则是将收集的波浪能转化为机械能，液压能或气压能等形式。三级能量转换环节将机械能转化为电能，主要利用电磁发电机，直线发电机，磁流体发电，压电发电等。气、液压能机械能水位能波浪能机械能电能一级转换二级转换三级转换图1-1 波浪三级能量转换示意图波浪发电的原理主要是利用波浪运动的位能差、往复力或浮力产生动力。按照能量的传递方式，波浪能发电一级转换装置可以分为振荡水柱式，摆式，点头鸭式，筏式，越浪式，点吸收式等10。目前，大致有三种利用海洋波浪发电的方法：一是利用海洋波浪的上下运动所产生的空气流或水流，使水轮机或气轮机转动，从而带动发电机发电，振荡水柱式波浪能发电装置即利用这种原理；二是利用海洋波浪装置的前后摆动或者转动产生空气流或水流，使水轮机或气轮机转动，从而带动发电机发电，典型的代表有点头鸭式、摆式波浪能发电装置；三是将低压大波浪变为小体积的高压水，然后把水引入高位水池积蓄起来，使它形成一个水头，再来冲动水轮发电机发电，如越浪式。在波浪能发电能量转换过程中，将机械能转换为电能主要有三种形式，分别是电磁式，静电式和压电式。目前三级能量转换过程中将机械能转换为电能大多数都是采用电磁发电机。电磁发电机为传统发电机，在波浪能转换方面应用最为广泛，技术相对比较成熟，且适用于发电量较大的场合，但其结构较复杂，体积大，不利于微小化和集成化。永磁直线发电机和压电发电机是近几十年来研究的热点11。永磁直线发电机能量转换环节少，转换效率高，但研究技术发展不成熟，应用较少。压电发电机由于压电材料研究的制约发展较晚，但其能直接将波浪的机械运动通过压电材料的耦合运动转换为电能12。虽然其结构简单，无电磁干扰，但是其适用于高频率微小振动，发电量很少，在波浪发电方面实际应用较少。2.常用波浪能能量转换装置(1)第一级能量转换装置振荡水柱式振荡水柱式发电装置还可叫做空气透平式波浪能发电装置，可分为离岸式、近岸式和靠岸式。离岸式一般安装在波浪资源丰富的水深大于40m的深海区。近岸式安装在距离海岸1km之内的水深1520m的区域。靠岸式波浪能发电主要由前后港、气室、涡轮机、发电机组成。随着波浪入射波运动，与气室相连的水受激振荡，使气室内的气压变化，涡轮机转动，从而带动发动机发电。2005年初在广东省汕尾市，中国科学院广州能源研究所建造了总装机容量为100kW的岸式水柱波浪电站。该装置的第一次实海况试验的成功标志着第一个波浪能稳定独立发电系统的建成13。澳大利亚肯布拉港口的振荡水柱式波浪能量转换器采用抛物线状墙以收集尽可能多的入射波以提高发电量。振荡水柱式波浪能转换装置的总效率为10%30%14。图1-2 振荡水柱式波浪发电原理图 图1-3 靠岸式振荡水柱式波浪发电 图1-4 离岸式振荡水柱式波浪发电摆式摆式波浪能发电可分为悬挂摆和浮力摆两种，主要由水室、摆板、机电转换机构、发电机构等组成。波浪垂直作用于摆板，摆板绕轴转动，带动后续的机械结构，液压系统将机械能转换为液压能，液压马达带动发电机发电。国外摆式近岸波浪能发电装置主要有日本悬挂摆式波浪能发电装置、英国Oyster浮力摆式近岸波浪能转换装置、芬兰WaveRoller近岸海底波浪发电装置、澳大利亚BioWAVE波浪发电装置、挪威Langlee漂浮双摆板摆式波浪发电装置等五种形式，目前尚未有比较成熟的摆式波浪发电装置的规模应用，摆式波浪能发电装置的总效率约为30%15。 图1-5 摆式波浪发电装置原理图 图1-6 海底大型摆式波浪发电装置图越浪式越浪式波浪发电装置可分为固定型和漂浮型6，主要利用海岸特殊的地形，或者是坡道等装置将波浪引入到蓄水池中，把不稳定的波浪能转换为蓄水池内水体的势能，水经管道流回大海时带动低位发电机组发电。目前，国内外越浪式波浪发电装置主要有：挪威波能公司于1985年建造的一座装机容量350kW的渐缩水道式聚波水库电站16。瑞典开发的漂浮式波浪发电船，其特有的锚固结构提高了波浪能量转换效率17。可根据情况进行不同的组装以适应复杂海况的丹麦龙式波浪发电装置 18。 图1-7 越浪式发电装置鸭式和筏式自1975年英国爱丁堡大学Stephen Salter发明了鸭式波浪能发电装置19，美国麻省理工学院20，中国水利水电科学研究院自动化所21分别提出了进一步优化的方案，但是鸭式波浪发电装置抗波能力弱，装置可靠性差，未得到广泛的推广和应用。19世纪70年代英国人克里斯托弗-科克雷尔提出筏式波浪能发电。“海蛇号”发电装置海上实验成功后，OPD公司和英国政府建立了一个由40套该装置配电的30MW的波浪能发电厂，可供两万个家庭用电6，筏式波浪发电装置的总效率约为10%左右。 图1-8 点头鸭式波浪发电原理图 图1-9 筏式波浪发电示意图点吸收式点吸收式波浪能发电装置还可称为振荡浮子式。点吸收式是利用浮子吸收波浪运动所具有的动能和势能，浮子带动机械结构或者是液压缸，气缸等运动，带动发电装置发电。美国OPT公司研制的PowerBuoy装置安装在离海岸1到3mile，50m左右深度的海水中，采用阵列式布置可以获得100kW以上的功率。由加拿大的Finavera Renewables Limited公司于2000年研制的AquaBuoy点吸收式海洋波浪发电装置也采用阵列式布置以提高发电量，该发电装置可为近海岸发电厂配电22。点吸收式波浪能发电装置不受地域限制，机电转换部分一般在海面以上，所以可靠性较高，且维修相对方便。在一定条件下，装置输出的电能稳定，适合我国这类波能功率密度较低的国家。点吸收式波浪能发电装置是目前比较具有前景的，实用性高的发电装置。 图1-10 点吸收式波浪发电原理 图1-11 PowerBuoy波浪发电装置表1-1 一级能量转换形式优缺点比较形式优点缺点振荡水柱式涡轮机等机械结构未与海水直接接触，防腐蚀性能优良，故障率低能量转换率低，建造成本高摆式能够在波浪的低频运动下工作，频率响应范围宽，转换效率高，可靠性好，成本低装置易损坏，转换效率高但不稳定越浪式波浪能量转换效率高，稳定性和可靠性较高，适应极端海况的情况较强尺寸大，建造困难，成本高鸭式转换效率高抗浪能力弱，海下施工困难，可靠性差，易损坏筏式抗风浪性能好，能量传递效率较好，发电稳定性较好受海况影响大，受限制较大，建造成本高点吸收式可靠性较高，维修维护方便，发电稳定性较好能量转换效率不高，抵抗极端天气能力差(2)二级能量转换装置二级转换主要采用机械式、液压式、气动式等三种形式。机械式主要采用齿轮齿条，单向轴承等零件组成。如图1-10所示即为利用齿条和链轮传递波浪能量驱动发电机发电的装置23。如图1-5所示即为摆式波浪能发电利用液压系统将摆板所吸收的能量转换为液压能，从而通过液压马达驱动发电机发电。气动转换通常以空气为介质，将空气动能转换为涡轮机动能，如图1-3即为水室中的水振荡引起空气流动，从而通过涡轮发电机组发电24。表1-2 二级能量转换形式比较形式优点缺点转换效率液压式效率较高，易于控制，便于控制造成环境污染约75%左右气压式便于储存，抗冲击性抗腐蚀性较好，无污染容易失速，设计要求高，效率低约10%30%机械式技术成熟结构相对复杂根据所设计传动机构确定(3)三级能量转换随着技术的不断发展，波浪能发电三级能量转换出现了利用磁流体发电，压电陶瓷发电等形式。大连理工大学的褚金奎教授课题组对压电发电进行了研究，并发明了一种旋转式波浪能压电发电装置，如图1-12压电发电机采用了压电悬臂梁发电的结构，一定程度解决了频率转换和发电效率的问题25。杜小振设计了一种浮标式波浪能压电发电装置，当有4个压电叠堆并联连接时输出功率为 53.7 W26。由此可见压电发电产生的电量相对于电磁发电机来说很微小。因此，压电陶瓷在海洋波浪发电中应用还受压电陶瓷自身特性和储能技术的限制。所以本设计中三级能量转换采用技术相对成熟的三相电磁同步发电机。图1-12 一种旋转式压电发电机 图1-13 浮标式波浪能压电发电3.振荡浮子式波浪发电装置浮子形状研究现状振荡浮子式波浪发电装置是目前研究波浪发电的热点之一，如何提高装置的发电效率是研究的重点之一。在振荡浮子式波浪发电装置中，浮子波浪采集系统对装置发电总效率影响很大，而浮子的形状尺寸等参数影响了浮子受波浪力的大小和采集波浪能量的能力。林江波基于弗汝德-克雷洛夫假定法对长方体、水平圆柱体、竖直圆柱体和球体四种浮子的受力进行了分析和实际计算，并推断出在各个浮子所处波浪环境相同的情况下，受力最大的为垂直圆柱型浮子27。四种形状浮子受力曲线分析如图1-14所示。F (N)T (s)图1-14 四种形状浮子受力曲线分析27（三）研究方案海洋的波浪由风引起，来自不同地方的各种不规则波组成了波浪。因此波浪能因时间地点不同，其能量大小和方向都有不确定性和不稳定性，具有较为复杂的物理形态。波浪能量采集的效率直接影响波浪能发电装置的效率。针对中国海洋波浪能流密度较低的特点，根据查阅的相关资料，振荡浮子式波浪能量采集装置较适合于中国海域的情况。所设计的振荡浮子式波浪发电装置使尽可能少的装置在海水中，其它转换部分置于平台上，并用防护罩保护，避免了装置因海风海水等复杂的环境因素而受到破坏，减少海水对装置的腐蚀作用，提高装置的寿命。此外，减少了水下施工量，便于维修维护，降低了建造成本。由于波浪能量采集系统是波浪发电装置的重要部分，与装置的发电效率密切相关。因此在分析了解现有浮子绳轮采集系统的基础上，对浮子采集系统进行改进设计，以使浮子采集系统能够吸收全周期的波浪能量，将全周期的波浪能量传递给后续装置，提高浮子能量采集的能力。通过查找资料了解到浮子的形状对采集波浪能量的大小有影响，因此选择在相同条件下，受力较大的垂直圆柱形浮子作为本文设计的浮子形状。二级能量转换装置采用机械式，机械式能量转换装置技术相对较成熟，但有结构复杂和重量较大等缺点。因此，所设计的波浪发电装置在达到转换要求的同时，尽可能简化机械传动结构并使结构紧凑。零件在满足可靠性稳定性要求时，尽可能缩小尺寸。此外，浮子随波浪在一个周期内做上下起伏运动，因此输入轴在一个周期内做双向运动，使发电机交替正反转，但不间歇的正反转易使发电机线圈烧坏，且正反转会使发电机三相相序变化，不满足同步发电机工作原理。棘轮机构和单向轴承可以解决这一问题，使装置做单向间歇运动，即发电机在一个起伏周期内完成半周期单向转动，但不适用于本文中设计的浮子波浪采集系统。本文中设计的浮子波浪采集系统能采集全周期的波浪能量，如果采用发电机半周期发电会使收集的能量浪费。因此机械传动机构利用单向轴承的工作原理，基于一对单向轴承设计齿轮箱，达到发电机全周期不间歇发电的效果，以充分利用吸收的波浪能。（四）装置的具体工作过程110141112913382645715L2L1图1-15 装置结构简图为了解决振荡浮子式波浪发电装置半周期发电的问题，达到全周期发电，提高装置的波浪捕获能力、转换效率和发电效率，设计了如图1-15所示的由闭环式波浪采集装置和换向增速齿轮传动机构组成的波浪发电装置。本装置主要包括固定平台，浮子1，钢丝绳2，四个辅助滑轮3，主滑轮4，低速轴5，低速级大齿轮、单向轴承组合6、7，低速级小齿轮8、9，中间轴10，高速级大齿轮11，高速级小齿轮12，高速轴13，发电机14，小配重15。与传统浮子波浪采集系统不同，本装置的浮子和小配重上下均连接着钢丝绳，构成了一个闭环式浮子波浪采集系统。连接在浮子上方的L1段钢丝绳绕在主滑轮槽1上，连接在浮子下方的L2段钢丝绳反向绕在主滑轮槽2上保持与L1段绳运动方向相同，使主滑轮2在受一侧绳驱动时，另一侧绳不会成为阻碍。主滑轮轴与低速轴通过联轴器联接。低速轴上安装有一对工作方向相反的单向轴承，单向轴承使两低速大齿轮转向始终相反。低速大齿轮7直接与低速小齿轮9啮合。辅助小齿轮与低速大齿轮6和低速小齿轮8啮合，主要作用是保持中间轴转向不变。高速级齿轮11、12为圆柱斜齿轮，使高速级传动更加稳定。高速轴13通过联轴器与发电机转轴连接。小配重起到调节系统的阻尼和张紧绳的作用。装置的工作原理为：浮子在波浪力作用下做垂荡运动，机械传动机构通过主滑轮传递阻尼，阻碍浮子运动。当浮子向下运动时，克服主滑轮上的阻尼和小配重的阻尼，L1段钢丝绳绷紧，钢丝绳作用在主滑轮上驱动换向增速机构使发电机发电。当浮子向上运动时，L2段钢丝绳绷紧，钢丝绳作用在主滑轮上驱动换向增速机构使发电机发电。二、波浪参数的选择和计算（一）波浪参数的选择海洋波浪能源的高效利用主要取决于两个因素:一是海域的选址，二是提高海洋波浪发电装置的转换效率。查阅相关资料，郑崇伟等人以CCMP为驱动场，应用国际先进的第三代海浪数值模式WAVEWATCH-III对中国近海海域从1988年1月到2010年12月的海浪场进行了分析28。表2-1 中国近海各大海域波浪能源对比表28海域年平均能流密度kW/m全年资源开发有效时间出现频率/%变异系数-稳定性(变异系数越小，稳定性越好)SWH变化趋势cm/a能流密度变化趋势kW/(ma)资源储量106kWh/m综合1月4月7月10月总储量有效储量渤海2102.03.01.53.02.03.02.03.01.02.00.122贫乏区黄海北部210301.52.01.52.01.01.51.52.51.01.50.122贫乏区黄海中部2630401.52.01.03.01.02.01.52.50.51.000.2244可利用区黄海南部61040601.02.01.02.01.52.01.01.51.02.00.10.34846较丰富区东海101660701.51.01.52.53.01.52.01.52.50.30.5612610丰富区台湾海峡81040500.51.51.52.02.02.51.01.52.03.00.10.24646较丰富区北部湾2301.53.01.52.51.01.51.52.51.52.500.222贫乏区泰国湾2301.03.02.03.01.01.52.03.01.01.50.122贫乏区南海北部102260800.51.01.02.01.52.51.02.51.52.50.20.5616414丰富区南海中部141860701.01.51.52.51.02.01.02.01.02.00.20.31014812较丰富区南海南部41420600.51.51.52.51.01.51.02.00.51.500.221028可利用区综合上表情况，本波浪发电装置所处的海域选定为东海海域。根据陈红霞等利用TOPEX卫星高度计对中国海域海浪的季节变化及时间变化研究29，将波浪的参数定为：波浪周期T为5s，波高H为1.5m。（二）波浪能量的计算根据中国海域的实际情况并结合相关理论，对振荡浮子在海水中运动的一级能量转换效率进行计算。根据海洋线性波动理论，在线性波中，波浪是单一频率并且没有运动变化的30。根据线性波动中二维深水进行波的波动理论得出波长L为L=2=gT22 2-1g-重力加速度(ms2)，T-波浪周期(s)，-波浪波数，波动圆频率2=g根据流体力学的相关知识，将波浪的性质设为下(1) 流体是不理想不可压缩的、无粘性，重量不能略去不计；(2) 运动是无旋的，具有速度势；(3) 波浪波长远大于波浪波高。 结合海浪理论得出深水二维进行波的在一个波长范围内的波动动能和波动势能。波动动能为Ek=14gA2L 2-2波动势能为Ep=14gA2L 2-3-海水密度(kgm3)，A-波浪振幅(m)，A=H2由式2-2和2-3可知，在一个波长范围内，波动势能与波动动能相等。由此可得每单位波长宽度的波的总能量E为E=EkEp=12gA2L=18gH2L 2-4Ei=2REL 2-5R-浮子半径(m)根据上述参数计算相关数据如下表表2-2 波浪相关参数参数数值波高H1.5m波浪周期T5s波长L39m波动圆频率1.26rad/s一个周期内波浪能量E113.01kJ三、波浪采集装置的设计计算及优化（一）波浪采集装置工作原理主滑轮小配重浮子辅滑轮abcdefgh图3-1 波浪采集装置简图一般的波浪采集装置采用浮子小配重系统，只有图中a、b、c、d段绳子连接的机构。这种装置只有浮体向下运动的时候，绳子处于紧绷状态，有驱动力矩作用在滑轮上，克服机械传动机构和发电装置施加在主滑轮上的反作用力矩，才能达到浮子驱动滑轮带动发电机转轴发电的效果，当浮子处于上升状态时，由于缆绳不是刚性物体，缆绳松弛，后续的装置不能转换为缆绳侧的阻尼力矩，不能驱动后续装置发电。这种装置浮子只能吸收半个周期的波浪能量31。本研究采用闭环式的浮子采集装置，解决缆绳的周期性松弛现象，旨在使波浪采集装置吸收整个周期的波浪能量，提高波浪的能量采集效率。闭环式浮子采集装置主要是通过浮子与小配重块底部连接的缆绳在主滑轮上交叉连接以使浮子做起伏运动时，缆绳均处于绷紧状态，缆绳上的拉力作用在主滑轮上成为驱动力矩，克服机械传动发电装置对滑轮的阻碍作用，驱动后续装置持续发电，使发电机在整个波浪周期内都处于发电状态，提高了浮子采集系统吸收波浪能的能力。当浮子向下运动时，a段缆绳会在主滑轮上产生顺时针方向的转矩，带动主滑轮驱动后续装置发电，当浮子向上运动时，h段缆绳会在主滑轮上产生逆时针方向的转矩，带动主滑轮驱动后续装置发电。由图3-1可以看出，当浮子向上运动时，主滑轮能够做到始终顺时针转动，反之同理。（二）浮子运动微分方程的计算浮子水平面yhzxOd图3-2 圆柱形浮子在波浪中参数示意图h-浮体的高度，d-浮体初始吃水深度，A-浮体的水截面积，x-浮体的吃水面到水平面的距离（吃水面在水平面上方，x为正值；反之，x为负），y-波面到水平面的距离，z-波面到浮体顶端的距离由图可知y+z+d-x=h 3-1两边求二阶导可得到y+z=x 3-2可知浮体垂直运动的加速度为x。浮体在波浪中做起伏运动时，受到的作用力包括浮力、重力、发电装置对其的反作用力、辐射阻尼力以及粘滞阻尼力，其中反作用力、辐射阻尼力与速度是线性关系，与速度成正比，粘滞阻尼力是由边界层分离引起的，是非线性的，与速度的平方成正比。根据牛顿第二定律得浮体运动微分方程为m+ux=gAy-x-Bx-Cxx-kx 3-3即m+ux+Bx+Cxx+kx+gAx=gAy 3-4m-浮子质量，u-附加质量，B-辐射阻尼系数，C粘滞阻尼系数，k-发电装置阻尼系数，y=cos(t)，-波浪振幅，-波浪圆频率。浮子质量可根据初始静水受力情况表示为m=gd 3-5式3-4中的参数包括附加质量、辐射阻尼系数、粘滞阻尼系数都是浮子运动的水动力学参数，其值随所处波浪环境和浮子的变化而变化。因此，推测其值与浮子的形状参数有一定关系。为了分析出附加质量、辐射阻尼系数与浮子形状参数的关系，对附加质量，辐射阻尼系数进行量纲分析32，可得附加质量uuA32=f1(A12) 3-6辐射阻尼系数BBA32g=A12 3-7粘滞阻尼系数CC=12ACD 3-8 当A121时，uA32K，K、CD为无量量纲，可知附加质量，辐射阻尼系数，粘滞阻尼系数均与浮子的水截面积有关。将式3-5至式3-8带入式3-4可知，浮子直径大小对浮子的运动有一定影响。（三）浮子尺寸的确定本设计采用圆柱形浮体，浮子的主要几何参数包括浮子的直径和浮子的高度。通过上述量纲分析，可以了解到附加质量u，辐射阻尼系数B是随着浮子的几何形状参数发生变化的，从得出的表达式可进一步分析出u与B主要与海水密度和浮子水截面面积有关，因此可以推断出圆柱体的直径与附加质量和辐射阻尼系数有关。根据相关资料的分析得出结论，在圆柱体浮子直径和质量相同的情况下，柱高分别为0.8m、1.6m、2.4m的浮子在波频为05rad/s的区域内，附加质量、运动附加阻尼曲线基本不发生变化33，即浮子的高度变化对附加质量和附加阻尼基本无影响，进一步验证了量纲分析得出结论的正确性。因此，以下主要确定浮子的直径大小。浮体的运动响应曲线能够反映出浮子随波浪运动的情况，从侧面反映出浮子能量采集的能力。因此，接下来将利用MATLAB数值分析得出初选的不同直径的浮子的运动响应曲线，为选择合适的浮子直径提供理论依据。应用MATLAB中龙格-库塔法求解浮子运动二阶微分方程，分别得出浮子直径为3.2m、6.4m、9.6m时的位移-时间，速度-时间运动曲线，观察分析曲线的变化趋势，结合装置的设计情况，确定适合本装置的浮子直径。采用MATLAB中求解常微分方程数值解的函数的调用格式如下：四阶、五阶龙格-库塔法 t,y=ode45(filename,tspan,y0)其中filename是定义f(t,y)的函数文件名，tspan形式为t0,tf，表示求解区间，此程序求解区间定为0,60。y0是初始状态列向量，即为速度初始值和位移初始值，设为0,0，t和y分别给出时间向量和相应的状态向量即位移。但上述函数是为一阶常微分方程组设计的，因此对于浮子运动的二阶常微分方程，需要先将其转换为一阶常微分方程组，即状态方程。具体的分析过程如下。根据式3-9，用y表示浮子的位移，浮子运动微分方程可写为m+uy+By+Cyy+ky+gAy=gAcos(t) 3-9由于发电装置还未进行具体设计计算，式3-10中发电装置对浮子的反作用力一项不可确定，以下分析中暂不考虑。将式3-10降阶为一阶微分方程组为y=z z=gAcos(t)-gAy-Cyy-Bym+u 3-10浮子的水动力学参数分析计算过程较为复杂，本文不再单独分析计算。设计计算所用到的附加质量与附加阻尼参考同样条件下分析出的直径对浮子附加质量和附加阻尼影响曲线图。D=6.4mF (rad/s)D=9.6mD=3.2m图3-3 直径对浮子附加质量的影响33F (rad/s)D=6.4mD=9.6mD=3.2m图3-4 直径对浮子所受附加阻尼的影响33根据图3-3和3-4，可得出当波频为1.26rad/s时，直径分别为3.2m、6.4m、9.6m的圆柱体浮子的附加质量值和附加阻尼值。将相关数带入浮子运动微分方程组，应用MATLAB分析并得出位移和速度随时间变化的曲线如图3-5至图3-10。图3-5 D=3.2m位移-时间曲线 图3-6 D=3.2m速度-时间曲线图3-7 D=6.4m位移-时间曲线 图3-8 D=6.4m速度-时间曲线 图3-9 D=9.6m位移-时间曲线 图3-10 D=9.6m速度-时间曲线通过以上曲线可以看出，在相同的条件下，浮子的直径对浮子的运动的稳定性有一定的影响。由图可知，浮子在刚开始运动时，不能达到预定的位移和速度，振动不稳定，则每次装置启动时机械传动装置都会受到冲击，且浮子直径越大，运动稳定性越差。由图可看出D=3.2m时的位移曲线比D=6.4m和9.6m时的对称性好，且整体的曲线稳定性较好，则直径为3.2m时浮子的运动更加稳定。同时，D=3.2m时的速度曲线相对稳定。综上所述，浮子直径为3.2m时装置启动时受到的冲击较小。此外，由图3-7和图3-9可知，D=6.4m和 D=9.6m时浮子运动最大行程约为6m，再综合考虑海浪的涨潮落潮问题，整个装置的纵向高度会很大。由于浮子运动的稳定性对机械传动装置的稳定性影响很大，因此为保证装置的可靠性和稳定性，综合考虑装置设计问题，选择浮子直径D=3.2m，h=1m，初始静水吃水深度d为0.5m。四、装置总效率的理论估算（一）浮子振荡能量的计算把波浪看作线性波，认为浮子的固有频率与波浪的运动频率相同，即满足共振条件，则纯垂荡系统的总能量为Ez=12m+u2+gSZ02 4-1m-浮子质量(kg)，-海水密度，取=1025kgm3，Z0-浮子振荡运动振幅，S-浮子水截面积。（二）能量转换过程效率计算1.采集系统波能吸收效率根据波浪能转换技术理论，把式2-5和式4-1代入，采集系统波能吸收效率6为1=EzEi 4-2将数据代入上式估算得1=0.4982.机械能转换效率的估算振荡浮子与波浪共振时其振动机械功率最大，为Nz=Fzdz dt 4-3振动在一个波周范围内的平均功率为Nz= 1 T0TPzdt=F0Z0 2 4-4F0-浮子受波浪力幅值振荡圆柱体受波浪力幅值34为F0=gHR241-R22L2e-2dL+1 4-5经过上述推导，将已知各参数带入式4-4和式4-5，可得浮子一个波周期范围内吸收的平均功率，进一步计算得出发电机轴的功率为3.23kW。机械能的转化效率主要包括了二级能量转换的机械传动过程中的能量损耗以及三级能量转换中发电机的内部损耗。二级能量转换采用机械式传动机构，根据国家机械设计手册35得表4-1。表4-1 机械传动理论传动效率传动类比传动效率卷绳轮0.95联轴器0.99单向轴承0.99滚动轴承0.98圆柱齿轮啮合0.99由于本设计中浮子向上运动时，低速大齿轮1为主动齿轮，传递转矩。浮子向下运动时，低速大齿轮2为主动齿轮，传递转矩。二级能量转换过程的效率在一个波浪周期内发生一定变化。因此，将机械传动机构的效率定为一个范围。根据上表数据计算浮子向上运动时的二级转换效率21=0.77浮子向下运动时的二级转换效率22=0.73二级能量转换效率范围为73%77%。三级能量转换是利用电磁发电机将机械能转换为电能。为了便于计算装置的总体效率，认为发电机的效率满足P发电机=P输出/P输入，查机械设计实用手册36。表4-2 发电机效率发电机类型发电机效率小功率同步发电机85%-95%大中功率同步发电机95%-98%根据本振荡浮子式波浪发电装置的设计，选用小功率的同步发电机，将发电机效率选定为90%。综合上述计算结果，波浪发电装置的能量转换效率为33%35%。查阅滑轮标准手册，选择滑轮参数如表4-3表4-3滑轮参数滑轮代号钢丝绳直径主要尺寸推荐轴承型 号参考重量DD1RBWfD2D3B1B2WJ120110-142803257372857080808021416查阅相关资料，当浮体质量较轻时(500kg-5000kg)，浮体运动振幅及周期与波浪具有良好的一致性37，经计算本文所用浮子质量为3062kg，属于质量较轻的范围。此外，由图3-5和图3-6可观察出浮子的运动振幅大约为0.75m，振动周期约为5s。因此，可取浮子的行程为1.5m，浮子的振动周期为5s。根据所选滑轮，结合已经选出的波浪参数，计算得出与滑轮连接的动力输入轴的转速nw=120h0D0T0=41r/min