（轮机工程专业论文）面向航标的波浪能利用研究.pdf

jl r e s e a r c ho nt h eu t i l i z a t i o no fw a v ee n e r g yf o rt h eb u o y d e v i c e at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y u a n 、i ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：i n s t r u c t o rj iy u l o n g p r o f e s s o rs u ny u q i n g j u n e2 0 1 1 、i 亏_ 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= =画自舷拯的这退能型旦硒究：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密彳( 请在以上方框内打 ) 论文作者签名： ， ，-l 气 中文摘要 摘要 本文依托大连市2 0 0 9 年度科技计划项目( 2 0 0 9 e 1 3 s f l 7 7 ) ，主要针对航标装 置的能源问题，进行新能源和可再生能源的研究和开发。目前航标装置上利用的 能源主要包括：陆地电池、柴油发电机等常规能源和太阳能发电、风力发电等可 再生能源，而对于储量丰富、开发潜力深厚的海洋能却利用甚少。本文重点研究 在航标装置上利用波浪能发电，实现装置对电能需求的自给自足。 首先，本文对传统航标上利用波浪能发电的装置，以及文献中涉及的波力发 电航标装置的结构和原理进行研究，分析其优势和弊端，同时结合大型波浪发电 的成熟技术，综合航标的特殊性和要求，提出利用液压传动和电磁发电技术相结 合的设计思路。 第二，分析研究现有波浪理论的适用范围，确定以微幅波理论( a i r y 波理论) 为本文研究的理论基础。充分利用波浪特性，以a u t o c a d 软件为工具进行波浪能 利用航标装置的设计。设计装置包括波能吸收机构和波能转换机构。波能吸收机 构是采用浮子跟随波浪垂向运动采集波浪能的结构形式；波能转换机构则采用液 压传动和电磁发电相结合的混合形式，以达到提高装置波能利用效率的目的。 第三，在装置结构设计的基础上，重点对浮子式波能吸收机构和液压传动波 能发电机构进行研究。分析不同形状浮体所受波浪力作用的大小，从而确定浮子 的形状，同时利用浮子和波浪共振特性提高浮子的波能吸收效率，并由此确定浮 子的结构参数。设计波能转换机构的液压系统，并给出关键元件的选型原则。 第四，对所设计系统进行建模，并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对其进行仿 真实验，验证结构的合理性，并对其进行再优化设计。 关键词：波力发电；航标装置；结构设计；建模与仿真 知1， 英文摘要 r e s e a r c ho nt h eu t i l i z a t i o no fw a v ee n e r g yf o rt h eb u o y d e v i c e a b s t r c t t h i st h e s i sw a ss u p p o r t e db yt h ep r o g r a mo fd a l i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yu n d e r g r a n tn o 2 0 0 9 e13s f17 7 t h ep u r p o s eo ft h i sp r o g r a mi st o d e v e l o pn e wa n d r e n e w a b l ee n e r g yf o rt h eb u o yd e v i c e c u r r e n t l y , t h ee n e r g yu s e do nb u o yd e v i c e i n c l u d e st h ec o n v e n t i o n a le n e r g ys o u r c e s ( s u c ha st h el a n db a t t e r i e s ，d i e s e lg e n e r a t o r s a n ds oo n ) a n ds o m er e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e s ( m a i n l yc o n t a i n ss o l a re n e r g ya n dw i n d p o w e r ) h o w e v e r , t h ew a v ee n e r g yw h i c hi sa b u n d a n ta n de a s yt og e tw a su s e dv e r y l i t t l e t h u s ，t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h eu t i l i z a t i o no fw a v ep o w e ra n dd e v e l o p san e w d e v i c et os u p p l ye n o u g he n e r g yf o rt h eb u o y f i r s t l y , t h es t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e so ft h o s ed e v i c e si nt h el i t e r a t u r e sr e l a t e dt o b u o y s w a v ep o w e rg e n e r a t i o nd e v i c ew e r es t u d i e d ，t h e n , t h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fe a c hd e v i c ew e r ea n a l y z e d an e wp o w e rg e n e r a t i o nd e v i c ec o n t a i n s h y d r a u l i cd r i v ea n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ct e c h n i q u ef o rt h eb u o y d e v i c ew a sp u tf o r w a r d s e c o n d l y , a f t e ra n a l y s i so ft h eu s i n gs c o p eo ft h ec u r r e n tw a v et h e o r y , a i 巧w a v e t h e o r yw a sc h o s e na st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h i sa r t i c l e t om a k e f u l lu s eo ft h ew a v e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ew a v eg e n e r a t i o nd e v i c ew a sd e s i g n e dt h r o u g ha u t o c a d t h i s d e v i c ec o n t a i n st w op a r t s ：w a v ee n e r g yc o l l e c t i o ns e c t i o na n dw a v ee n e r g yc o n v e r s i o n s e c t i o n t h ew a v ee n e r g yc o l l e c t i o ns e c t i o nm a i n l yu s e saf l o a tt of o l l o wt h ew a v e s v e r t i c a lm o t i o nt oc a p t u r ew a v ee n e r g y ac o m b i n a t i o nm e c h a n i s mo fh y d r a u l i cp o w e r g e n e r a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t i o nw a su s e dt oc o n v e r tw a v ee n e r g yi n t h ew a v e e n e r g yc o n v e r s i o ns e c t i o n ，w h i c hc a ni m p r o v et h ee n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t h i r d l y , t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ew a v ee n e r g ya b s o r p t i o na n dc o n v e r s i o ns y s t e m t h es h a p eo ft h ef l o a tw a sc h o s e nb a s e do nt h ea n a l y s i so fw a v ef o r c ea c t e do nt h e f l o a t sw i t hd i f f e r e n ts h a p e s i no r d e rt oi m p r o v et h ew a v ee n e r g ya b s o r p t i o ne f f i c i e n c y , 英文摘要 t h er e s o n a n c eb e t w e e nf l o a ta n dt h ew a v ew a su s e d t h e nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h ef l o a tw e r ec h o s e n t h eh y d r a u l i cw a v ee n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n d t h er o l ef o rt h ec o m p o n e n ts e l e c t i o nw a sg i v e n f o u r t h l y , am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mw a sd e v e l o p e da n dt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt h r o u g ht h es o f t w a r em a t l a b s i m u l i n k t h ep r i n c i p l e o ft h es y s t e mw a sv e r i f i e d ，a n dt h es y s t e mp a r a m e t e rw a so p t i m i z e db a s e do nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：w a v ep o w e rg e n e r a t i o n ；b u o yd e v i c e ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n 气。 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的来源及提出1 1 2 课题的研究背景及意义一1 1 2 1 航标及航标能源现状1 1 2 2 波浪能及其利用技术4 1 2 3 本课题的研究意义5 1 3 波浪能航标的研究现状5 1 4 课题的主要内容及工作7 第2 章波浪理论分析与推导9 2 1 引言9 2 2 波浪理论分析及选定9 2 2 1 波浪的基本概念9 2 2 2 波浪理论的种类及其适用范围1 0 2 2 3 波浪理论的选定1 2 2 3 微幅波理论( a i r y 波理论) 1 2 2 3 1 微幅波理论的基本方程1 2 2 3 2 波浪的势函数1 4 2 3 3 压强和波浪能1 6 2 4 海浪谱及波浪力计算1 7 2 4 1 海浪谱简介1 7 2 4 2 弗汝德一克雷洛夫假定法18 2 5 本章小结l9 第3 章波力发电航标装置的设计2 0 3 1 引言2 0 3 2 设计难点及思路2 0 3 2 1 传统波力发电航标装置存在的问题。2 0 目录 3 2 2 设计思路2 0 3 3 波力发电航标装置的设计2 l 3 3 1 装置的结构形式2 1 3 3 2 装置的工作过程2 4 3 3 3 装置的可行性分析2 5 3 3 4 装置的简化模型2 7 3 4 波能吸收机构的设计2 7 3 4 1 波浪特性分析及其应用2 7 3 4 2 浮子的设计2 9 3 4 3 浮体的设计3 4 3 5 液压波能转换系统的设计3 5 3 5 1 液压系统的设计3 5 3 5 2 关键元件的选型原则3 6 3 6 本章小结3 8 第4 章系统参数设计及数学模型的建立3 9 4 1 波能吸收机构分析3 9 4 1 1 浮子的动态起伏位移分析3 9 4 1 2 浮子受力的动态分析4 2 4 1 3 浮体的受力与运动状态分析4 4 4 1 4 系统波能吸收效率分析4 6 4 2 液压系统关键元件的选型4 7 4 2 1 液压缸的选型4 7 4 2 2 液压马达的选型4 8 4 3 系统数学模型的建立4 9 4 3 1 系统简化模型4 9 4 3 2 浮子机构的数学模型5 0 4 3 3 液压缸的数学模型5 0 4 3 4 单向阀块的数学模型5 1 、，-一 崎 目录 4 3 5 液压马达的数学模型5 1 4 4 本章小结5 1 第5 章系统仿真实验及分析5 2 5 1 引言5 2 5 2 系统仿真实验及分析5 2 5 2 1 系统仿真模型的搭建5 2 5 2 2 仿真结果分析一5 6 5 2 3 系统的影响因素分析一5 8 5 3 系统结构优化6 5 5 4 本章小结6 5 第6 章结论及展望一6 6 6 1 本文工作总结6 6 6 2 研究展望6 6 参考文献6 8 攻读学位期间申请的国家专利一7 l 致谢7 2 研究生履历7 3 t s 1 ， 、土 p 钮 4 面向航标的波浪能利用研究 第1 章绪论 1 1 课题的来源及提出 本课题来源于大连市2 0 0 9 年度科技计划项目( 2 0 0 9 e 1 3 s f l 7 7 ) ，属于新能源 与可再生能源技术与产品领域。顺应国家节能减排、自主创新、开发新能源的政 策趋势，结合船舶液压机电一体化实验室的研究重点和优势，本文将针对航标装 置，提出一种主要通过液压技术来利用波浪能的方法，设计一种实际利用装置， 同时对其开展建模、仿真以及优化设计研究。 1 2 课题的研究背景及意义 1 2 1 航标及航标能源现状 航标( b u o yd e v i c e ) 即助航标志( a i d st on a v i g a t i o n ) ，主要是为了船舶安全、 经济、便利航行而设置的视觉的、音响的或者无线电的有信息服务作用的装置【i 】。 由定义可知，航标的主要作用是促进船舶安全、经济和便利航行，同时对海洋科 学的研究工作起到一定的辅助作用。航标一般具有四项功能，即定位功能、危险 警告功能、确认功能和指示交通功能【2 】。所谓定位功能是指其能够确定船舶的位置； 危险警告功能是指其能标示航道中的危险物和碍航物；确认功能是指其能确认船 舶相对于航标的距离和方位；指示交通功能则是指其指示船舶遵循交通规则的功 能，如分道通航制、深水航道、装载危险物船舶专用航道等，除此之外，航标的 指示交通功能还具有防止污染、保护环境的作用。 航标有多种分类标准。根据配布的水域不同可分为海区航标和内河航标；根 据配布位置的可靠性不同可分为固定航标和浮动航标；根据工作原理不同分为包 括视觉航标、音响航标和无线电航标等【1 羽。 现代航标学是一门综合性学科，涉及领域很广，主要有光学、声学、电子技 术、自动化技术、计算机技术等学科领域【4 】。本文主要研究航标的能源供给问题。 不论是视觉航标还是音响航标，它们都具有能源供给装置即航标能源。目前，很 多种类的动力系统和能源已经用于或者将要用于航标装置，包括从发条装置到放 第1 章绪论 射性同位素等每一种能源。表1 1 列举出了一些常用的航标能源【5 1 。 表1 1 常用航标能源种类 t a b 1 1t h ec o m m o n l yu s e de n e r g yt y p e so f b e a c o n s 电能系统非电能源 一次性电池石油和煤油 电网供电( 市电)乙炔 柴油和汽油发电机组丙烷 太刚能电池丁烷 风力发电机 波浪和潮汐发电机 热电( 温差) 发电机 燃料电池 由表1 1 可知，航标能源主要包括电能和非电能两大类，目前主要应用的能源 还是电能。航标所用的电能系统主要包括：交流岸电、柴油或汽油发电机组供电、 电池供电以及自然能源发电等。电能系统又可以分为非可再生电能源和可再生电 能源两大类。所谓可再生电能源是指利用可再生自然能源发出的电能，其具有清 洁无污染、储量丰富、可持续利用等优点，且具有巨大的开发潜力。国际航标协 会( i a l a ) 的能源调查资料显示，航标装置使用不同种类能源的比例如图1 1 所 示【5 1 。 图1 1 航标能源的利用比例 f i g 1 1t h ep r o p o r t i o no fd i f f e r e n tb u o y s e n e r g y 2 土 p 啦 。秘 面向航标的波浪能利用研究 图1 1 表明了不同航标能源的使用比例情况。通过该图可以清晰的看到，航标 使用的可再生自然能源主要包括太阳能和风能，而海洋、江河中蕴藏的巨大的波 浪能却没有得到充分的利用，只占据了其中不足l 的比例【 】。在非可再生能源 日益枯竭的今天，大力发展可再生能源，特别是开发潜力巨大且具有广阔利用前 景的波浪能显得尤为重要。下面简要介绍一下几种应用最为广泛的航标能源。 太阳能发电主要是利用太阳能电池把太阳能转换为电能，太阳能电池则是根 据光电效应原理发明的，主要包括硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池【6 】。当 前太阳能电池在航标上应用比较广泛，其优点主要包括：可再生、无噪声、无污 染；设备简单且没有运动部件；寿命长，维护要求低；输出功率比较稳定。它的 缺点在于太阳能电池板容易遭到外界因素的破坏和污染，以及极端海况( 如阴雨 天、结冰等) 下都会导致其性能降低，而且夜间无法工作。此外还存在一些技术 障碍，如高纬度地区阵列尺寸问题等【j 7 1 。 风力发电是通过风力发电机把风能转换为电能。风力发电机已经广泛的用于 航标装置，主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机【8 】。风力发电的主 要优点在于风能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，特别在缺乏水力资源、燃料 和交通不便的沿海岛屿有很大的开发潜力。它的缺点主要包括风能密度较低，随 机性太强，利用难度大。而且风力发电机在安装前需要掌握应用场所的地理和气 象资料，选型困难，定期检修和维护保养工作量大【8 】。 由于太阳能和风能受季节和天气影响比较大，经常导致航标电池充电不均或 不足，许多航标站为了能够保证航标正常工作，采用风光互补即同时安装太阳能 和风能发电装置，这无形中增加了成本，也大大缩短了维护周期【5 】。 波力发电是利用波力发电装置把波浪能转换为电能【9 】。利用波浪能发电的航标 具有诸多优点。首先，波浪能分布广且总量巨大，可就地取能，减少海上作业； 其次，利用装置结构简单，造价低；第三，波力发电装置的性能受海况和气候影 响较低，在无光以及恶劣海况下仍可正常工作、性能稳定，从而延长了航标的维 护周期。 通过以上对比分析可知，在目前的航标能源中，波力发电具有其他可再生能 源发电所不具有的众多优势，使之有可能成为最具发展前景的可再生电能源。 3 第1 章绪论 1 2 2 波浪能及其利用技术 波浪能是海洋能的一种，属于清洁的可再生能源【l o 】。波浪主要是由于风力作 用而产生的。水面在风力作用下出现水波，波峰随着风速的增大而升高，波长也 逐渐增长，当风速增大到一定程度时，波峰顶部会发生破碎，从而形成波浪。波 浪水质点因绕其轨迹中心运动而具有动能；同时，由于重力的作用水质点相对平 衡位置有高低位置的变化，因而具有势能【9 】。波浪能就是波浪所蕴含的动能和势能。 波浪能是全世界研究最为广泛的一种海洋能源【1 1 】。见诸文字的波浪能利用专 利可追溯到1 7 9 9 年由法国人吉拉德父子提出的气动式波力装置。在2 0 世纪6 0 年 代以前，关于付诸实施的波浪能利用装置的报道至少在1 0 个以上，遍及美国、加 拿大、澳大利亚、意大利、西班牙、法国、日本等国梨1 2 】。2 0 世纪6 0 年代初，日 本的益田善雄先生研制成功了用于航标的波力发电装置，开创了波能利用商品化 的先河。然而，对波浪能进行有计划的研究开发是在2 0 世纪7 0 年代石油危机之 后，以英、美、挪、日为代表，对诸多波能转换原理进行了较全面的实验室研究。 2 0 世纪8 0 年代以来，波浪能利用进入了以实用化、商品化为目标的应用示范阶段， 并基本建立了波能利用装置的设计理论和建造方法【1 3 】。进入2 l 世纪，随着对能源 需求量的与日俱增，人类重新审视常规能源带来的全球变暖、环境恶化等问题， 并在全世界范围内倡导低碳经济。在节能减排的同时寻求、开发代替常规能源的 新能源也成为世界各国争相研究的热点。海洋波浪能的开发和利用正是顺应这一 时代潮流日益发展起来的。各个国家都在建造波能示范和实用装置，波浪能转换 利用技术也得到了长足发展【1 2 1 3 1 。 目前，波浪能转换主要是通过一定的方法将波浪能转换成可用的动力进而加 以利用。一般来说，波浪能转换利用装置都是一个三级能量转换系统【1 4 】，第一级 是波能吸收机构，通过机构与波浪的直接接触作用，将波浪能转换为机构的动能、 水的位能或者中间介质( 水或液压油等) 的动能和压能；第二级机构将第一级机 构转换所得能量转换为旋转机械等的动能，如水力透平、空气透平、液压马达等： 第三级机构则将旋转机械的动能通过发电机转换为电能。其中，第一级能量转换 机构对波能的有效吸收具有至关重要的作用【1 5 】。 4 ，幺 - 一 1 盈 ： 面向航标的波浪能利用研究 1 2 3 本课题的研究意义 随着常规能源的消耗殆尽，能源问题已经成为当今社会最重要的问题之一。 各国都在致力于新能源和可再生能源的研究与开发，尤其是对海洋波浪能的开发 和利用更是方兴未艾。波浪能是一种蕴含量大、品质高、清洁的可再生能源，利 用波浪能发电是当前开发海洋能源的重要方式之- - 1 6 】。与此同时，航标主要是应 用于海上的助航装置，利用波浪能发电实现能源自给可谓是近水楼台先得月，具 有可行性和可操作性。 传统航标寿命短易出故障，因其配置于海域中又增加了维护难度，海事系统 每年在航标的检测和维护方面投入了巨大的人力和物力【1 7 】，因此，研究丌发具有 维护周期长、能源消耗少的航标具有重要的现实意义。而且目前，世界航标组织 也正大力提倡开发新型能源航标，以降低航标的维护周期和提高其可靠性【5 1 。 我国拥有近3 0 0 万平方公里的管辖海域，海岸线总长约为3 2 0 0 0 多公里，其中 大陆海岸线1 8 0 0 0 多公里，岛屿岸线1 4 0 0 0 多公里，海岸线总长度居世界第八位。 面积大于5 0 0 平方米的岛屿有6 5 0 0 多个，其中6 0 0 0 多个岛无人居住，有人居住 的岛屿近4 3 3 个【1 8 】。在如此长的海岸线和广阔的海域上，航标的需求是非常巨大 的，同时在远离大陆的岛屿上利用波浪能发电也具有重要的意义。 1 3 波浪能航标的研究现状 波浪能航标是波浪能发电的一项实际应用，2 0 世纪6 0 年代初日本的益田善雄 成功地研制了两种波浪能发电航标，一种是摆动式波力发电机，另一种是气动式 波力发电浮标。前者主要是利用安装在浮体内摆的惯性，摆与纵荡的浮体产生相 对运动，通过摆上的大齿轮带动小齿轮，增速驱动发电机旋转发电。1 9 8 5 年中科 院广州能源研究所成功开发了对称翼式透平航标用波浪发电装置，经过十多年的 发展，已有4 5 w 至6 0 w 多种型号的产品，并经过多次改进，目前累计有6 0 0 多台 在中国沿海使用，并出口到日本等国裂1 4 1 9 1 。 目前，在实际中应用的波力发电航标主要有两类产品：一类是带整流阀门的 冲击式空气透平波力发电装置，代表产品为日本绿星社生产的t g 型波力发电装置 i s 。带整流阀门的冲击式空气透平波力发电装置有浮动式和固定式两种。浮动式一 5 第1 章绪论 般用于灯浮标，固定式用于灯塔及灯桩。二者的原理及结构相同，只是在波浪的 利用方式上有所不同。另一类是新型对称翼式空气透平波力发电装置，代表产品 为我国中科院广州能源研究所研制的b d l 0 2 型波力发电装置【2 0 1 。 辫轮旋转方随 嚷。；墓貉 一捧气 懈吸气 图1 2 浮动式波浪能发电装置的工作原理 f i g 1 2t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ff l o a tt y p ew a v ep o w e rg e n e r a t i o nd e v i c e 浮动式波浪能发电装置由空气涡轮、喷嘴、发电机、控制器、阀门和蓄电池 组成【5 】，其工作过程如图1 2 所示。该装置要求航标的浮体中心有一中央贯通的管 道，管子的下端与大海相通，管子的上端装有阀门、喷嘴、空气涡轮和发电机， 并与大气相通。当航标装置受到波浪作用上下运动时，浮体中央管道中的水柱平 面可认为是静止的，与波浪起伏运动无关，于是随波浪运动的中央管道将与水柱 做相对运动。这时，中央管道内的气室腔体随之增大和减小。同时，通过发电装 置的通气口使空气吸入和排出。为使吸气和排气过程均发电，空气先进入整流阀 门，然后向上进入喷嘴，从而把不同方向的气流整流成单方向的气体，喷嘴的作 用是使气体形成高压气流，气流作用于空气涡轮叶片，使之转动带动发电机发电。 对称翼式空气透平波浪能发电装置，又称作威尔斯透平波力发电装置，其结 构及工作原理如图1 3 所示。图中v 为气流速度，w 为气流与空气透平叶片的相对气 流速度，u 为叶片旋转切向速度，a 为气流与叶片的相对夹角。当气流往复作用在 叶片上下方时，气流速度v 或v 和相对气流速度w 或w 的矢量和始终是同一个方 向，则空气透平始终按相同方向旋转【l 4 】，从而可以单方向驱动发电机发电，提高 6 6 l ? 面向航标的波浪能利用研究 噍 系统的效率。 一 蕾 f 9 v v 7 图1 3 对称翼型空气透平结构及工作原理图 f i g 1 3t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs y m m e t r i c a la i r f o i lt u r b i n e 对称翼式空气透平波浪能发电装置同样要求航标的浮体中心有一贯通的管 道，当浮体受到波浪力作用上下运动时，中央管道内的气室腔体随之增大或减小， 于是空气被吸入和排出。吸入或排出的气流作用于对称翼型空气透平，产生单向 旋转，从而带动发电机发电。 此外，关于波力发电航标装置的专利也有很多，归纳起来主要有两种思路： 一种是利用浮子追随波浪的振荡起伏运动吸收波浪能，然后通过齿轮、液压系统、 链轮、棘轮等机械方式转换为机构的旋转运动，最后带动发电机发电。另一种是 集中在振荡浮子式液态金属磁流体波浪能发电方面，主要是利用电磁原理发电。 1 4 课题的主要内容及工作 本课题主要围绕航标能源供给问题，结合航标能源现状，即传统航标耗能高、 污染重、成本高、易损坏、维护成本高等缺陷，设计出一种新型的波浪能吸收与 转换装置，提高系统的能量转换效率，从而为航标提供能源，增强其可靠性，降 低维护成本。 本文的研究内容及工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究波浪理论，确定设计的理论基础。以波的基本理论为出发点，开展 波浪能聚集理论研究，通过研究寻找波浪能聚集的方式方法，为开发高效波浪能 转换装置奠定理论基础。 ( 2 ) 新型波浪能航标能量聚集与转换装置的设计。在对波浪能聚集理论研究 7 第1 章绪论 基础上，结合当前波浪能聚集、转换方法，并利用轮机工程学科在液压技术方面 的优势，设计一种新型的波浪能聚集和转换装置，并进行相关计算和参数确定。 在设计过程中，充分利用波浪的特性，比如绕射、共振、驻波等，尽量提高波能 吸收效率。 ( 3 ) 对所设计的装置进行建模与仿真分析。采用m a t l a b s i m u l i n k 对装 置进行建模、仿真实验。验证装置的可行性，计算其能量转换效率并对相关参数 的影响规律进行分析，进而对设计结构进一步优化，为后续研究提供理论基础。 8 国 一 恤 面向航标的波浪能利用研究 第2 章波浪理论分析与推导 2 1 引言 为了更好的对装置结构进行设计，首先应该研究波浪的相关理论，以期更好 的指导实际设计。然而，由于波浪的随机性和复杂性，目前还没有统一的理论能 够描述波浪运动。基于假定条件的波浪理论有很多，而且在实际工程中也发挥了 重要的作用。本章重点对在后续设计中将会应用到的波浪理论进行分析，从而为 后续的设计奠定理论基础。 2 2 波浪理论分析及选定 2 2 1 波浪的基本概念 波浪是海洋中的一种自然波动现象，其产生的原因很多，诸如风、大气压力 变化、天体的引潮力和海底地震等都会使海面产生波浪【2 。一个简单波动的波面 可用一条正弦或余弦曲线来描述【2 2 1 ，如图2 1 所示，波浪包括诸多要素： 平 波峰 波嚣 暂水面 ， 高 v 少 波长 图2 1 波浪曲线 f i g 2 1p r o f i l eo ft h ew a v e 波峰：波面的最高点。 波谷：波面的最低点。 波长：相邻波峰( 或波谷) 之间的水平距离，用五表示，单位为m 。 波高：相邻波峰与波谷之间的垂直距离，用h 表示，单位为m 。 振幅：波高的一半，用a 表示，单位为m ，a = h i 2 。 周期：相邻两波峰( 或波谷) 通过某个固定点所经历的时间，即波浪 推进一个波长所需的时间，用丁表示，单位为s 。 波速：波浪的传播速度，用c 表示，单位为m $ 。显然c = 力t 。 9 ) ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6 7 ( ( ( ( ( ( ( 第2 章波浪理论分析与推导 ( 8 ) 波陡：波高与波长之比。用艿表示，显然6 = h x 。 ( 9 ) 波峰线：垂直于波浪传播方向且通过波峰的线。 ( 1 0 ) 波向线：垂直于波峰线且指向波浪传播方向的纠2 3 1 。 实际海洋中的波浪是极其复杂的，具有非线性和随机性，因此很难用简单的 数学方法将所有形式的波浪加以描述。为了更好的研究波浪的特性，对波t t u j n 以 分类是十分必要的。海洋中的波浪可以从不同的角度划分为不同的种类 j 引。 根据波浪的周期不同可以分为表面张力波、重力波、惯性波和行星波。表面 张力波是周期最短( 即频率最高) 的波浪，其传播方向与风的作用方向相同，风 是它的生成力，表面张力是它的恢复力，故称为表面张力波。随着周期的加长， 重力逐渐成为主要的恢复力，此时的波称为重力波。完全由地转偏向力作为恢复 力的波浪称为惯性波。海洋中存在一种周期更长的波，它的恢复力是地转偏向力 随纬度的变化率，这种波称为行星波【2 4 】。 根据波浪传播海域的水深不同可以分为深水波、有限水深波和浅水波。如果 海域的水深足够深，海底不会影响到表面波浪运动，此时的波浪称为深水波，否 则称为有限水深波或浅水波。一般按相对水深( 水深h 与波长名之比，即n x ) 来进行划分，n x = 1 2 作为划分深水波与有限水深波的界限；日以= 1 2 0 作为有 限水深波和浅水波的界限，即有限水深波的范围为1 2 0 h , z 1 2 【2 5 1 。 根据波浪运动状态，即看其波面有无水平运动可以分为推进波和驻立波【2 6 1 。 如果波面相对某一参考点作水平运动，则为推进波；如果波面无水平方向的运动， 仅仅是沿着某种固定轨迹做周期性的上下往复运动，则为驻立波。 根据对波浪运动的运动学和动力学分析处理方法不同，还可以把波浪分为微 幅波和有限振幅波两大类【2 7 1 。由于前者得到的微分方程是线性的，后者得到的微 分方程是非线性的，因此也分别称为线性波和非线性波【2 2 1 。 2 2 2 波浪理论的种类及其适用范围 波浪具有非线性三维特征和明显的随机性，因此不易进行精确的数学描述【2 8 1 。 但对于较为简单的二维平面波，迄今已有许多不同理论来描述其运动性，其中最 著名的理论有：a i r y 于1 8 4 5 年提出的微幅波理论，s t o k e s 于1 8 4 7 年提出的有限 1 0 乏 ， - 唆 i - 面向航标的波浪能利用研究 振幅波理论。有限振幅波动的理论有很多，除了s t o k e s 波以外，还有孤立波和椭 圆余弦波等。由于各种波浪理论的假设与简化方法不同，因而在所得的结果上有 差异，也就有其各自的适用范围。不同波浪理论的适用范围主要受波高 、波长a ( 或周期t ) 以及水深日控制【2 6 1 。下面简要介绍一下这几种波浪理论及其适用范 围。 ( 1 ) 微幅波理论( a i r y 波理论) 。微幅波理论是应用势函数研究波浪运动的 一种线性波浪理论。对于理想的无粘流体，假定液体不可压缩且其运动是无旋的， 则对于在重力作用下的液体波动可以用速度势函数( x ，z ，f ) ( 二维问题) 来进行研 究。为使问题简化，将波动的速度势所满足的方程和边界条件进行线性化处理， 其结果能定性的解释一些实际波动现象。线性波浪理论在一般工程实践中通常采 用微幅波理论【2 9 1 ，它适用于h h 1 ( 一般在0 0 4 以下) 及u r s e l l 数 = 华( 日) 3 1 ( 其中编为波峰在水面以上的升高，五为波长) 的情况。 l ( 2 ) s t o k e s 波理论【3 0 1 。对有限振幅波动的研究，最早是由s t o k e s 进行的，他 在1 8 4 7 年发表的论文中，把波浪运动的速度势用一个级数表示，然后将此级数在 水面处展开并使其满足非线性的波面边界条件，得到了有限水深下的二阶近似解 和无限水深下的三阶近似解。之后他又给出了有限水深下的三阶近似解和无限水 深的五阶近似解。由于他的卓越贡献，就以他的名字命名为s t o k e s 波理论。除了 振幅无限小的假定，s t o k e s 波理论同样假定海水是不可压缩的、无粘性的理想流体， 质量力只有重力，运动是无旋的，表面压强均匀等值且为常量。关于s t o k e s 波的 理论研究，涉及的数学推导很繁琐，在此不再赘述。实验表明，当o 1 = 2 a l e - 坍c o s h k ( h + z ) = ( 2 2 0 ) a c o s h k ( h + z ) 则流速势函数矽可以表示为： 矽= a c o s h k ( h + z ) s i n ( k x - c o t ) 同理假定在z = 0 处亦满足式( 2 7 ) 的水面条件，则有： 譬c o s ( h o j r ) 一a o a c o s h k h c o s ( h o g t ) = 0 由上式可以得到： 彳： 壁 2 c o c o s h k h 于是，在水深有限时，推进波的势函数矽的表达式可以表示为下式： 矽：丛一c o s h k ( h + z ) s i n ( 奴一c o t ) ( 2 2 1 ) 2 a oc o s h k h 、 2 3 3 压强和波浪能 由式( 2 4 ) 及自由水面边界条件式( 2 7 ) 和式( 2 1 1 ) 可以求得液体内部任 一点的波浪压强为【3 4 】： 1 6 。i j - - 。 a ， k 面向航标的波浪能利用研究 p ：p g h c o s h i k ( 了h + z ) c o s ( k x t o t ) ( 2 2 2 ) 。 2c o s h 趔了 式中：p 一任一点的波浪压强( n m 3 ) ； 一波高