（机械制造及其自动化专业论文）全液压漂浮式海浪发电装置的结构设计及优化分析.pdf

摘要 摘要 随着社会的进步，化石燃料日益枯竭，人们的生存环境逐渐恶化，能源问题 已经成为现代社会的头等问题。由于海浪能，风能和太阳能等新能源具有清洁， 环保可再生的特性，它们的开发逐渐受到人们的重视，其中由于海洋占有地球表 面的7 1 ，所以海浪能的开发具有更广阔的前景。 本课题依托“1 2 0 k w 漂浮式液压海浪发电站中试”项目，其目的是研究和开发 一款适应近海的海浪发电设备，为海洋能的深层开发利用积累一部分经验。 首先，文章综合阐述了海浪发电的国内外研究现状和发展趋势，介绍了国内 外现有的海浪发电装置的工作原理及工作特性，并对其的应用和不足进行了具体 的描述，并在此基础上提出了本课题的研究内容。 其次，我们对全液压漂浮式海浪发电装置的工作和能量转换原理进行了简单 的介绍，并对实验海域的海况进行了概括性的描述，为接下来的结构选型和结构 强度的计算提供数据支持。 再次，我们对全液压漂浮式海浪发电装置进行了整体的数学建模，并通过对 数学公式的解析过程，对全液压漂浮式海浪发电装置的各个参数对系统整体和能 量吸收率的影响做了简单的描述，为系统的整机匹配提供理论支持。 然后，我们结合全液压漂浮式海浪发电装置本身的结构参数和特征，讨论了 在常规海况下计算该装置所受波浪载荷所需的理论方法，最终选定了弗洛德一克 雷洛夫假定，并对该假定进行了简单的介绍，在此基础上，利用该假定对长方体， 圆柱体，球体和组合体在特定海况下的受力进行了比较，并从能量吸收率和受力 的角度选取了浮体的最终形状。 接着，我们讨论了在恶劣海况下计算全液压漂浮式海浪发电装置所受波浪载 荷的计算方法，最终依据各个边界条件，选定了m o r i s o n 方程作为我们计算和设计 的依据。为此我们首先对m o r i s o n 方程进行了简单的描述，并在此基础上计算了恶 劣海况下浮体和立柱所受的波浪载荷，并以此为依据，对浮体和立柱进行了有限 元分析。 最后，我们对全液压漂浮式海浪发电装置的液压缸布置形式，导向柱和导向 山东大学硕士学位论文 系统的不同设计方式进行了比较，并最终确定了系统各个环节的结构形式。在取 得浮体所受载荷的情况下，我们对全液压漂浮式海浪发电装置的液压系统进行了 设计，并最终选定了该装置发电所用的发电机，液压缸和液压马达。 关键词：漂浮式海浪发电装置；弗洛德一克雷洛夫假定；m o r i s o n 方程；液压 系统设计 本课题得到了国家海洋局可再生能源专项资金项目“1 2 0 k w 漂浮式液压海浪发电站中试” ( 项目编号g h m e 2 0 1 0 z c 0 1 ) 的支持。 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g 诵t 1 1t h ep r o g r e s so ft h es o c i e t y ，t h ef o s s i lf u e li n c r e a s i n g l ye x h a u s t e d ，a n d t h el i v i n ge n v i r o n m e n tg e tw o r s e n ，t h ee n e r g yp r o b l e mh a sb e c o m et h et o pp r o b l e mo f m o d e ms o c i e t y b e c a u s eo ft h ew a v e s ，w i n dp o w e ra n ds o l a re n e r g ya n do t h e rn e w e n e r g yh a sc l e a n ，r e n e w a b l ee n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e i rd e v e l o p m e n th a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo ft h eo c e a nw a v e so c c u p i e s 71 o ft h e s u r f a c eo ft h ee a r t h ，t h ed e v e l o p m e n th a sb r o a dp r o s p e c t s t h ep r o j e c ti sb a s e do n ”12 0 k wf l o a t i n gt y p eh y d r a u l i cw a v ep o w e rs t a t i o np i l o t p r o j e c t ，i t sp u r p o s ei st or e s e a r c ha n dd e v e l o paa d a p tt oo f f s h o r ew a v ee n e r g y e q u i p m e n t ，w h i c hc a l la c c u m u l a t es o m ee x p e r i e n c eo ft h em a r i n ee n e r g yd e v e l o p m e n t a n du t i l i z a t i o n f i r s to fa l l ，t h ea r t i c l ee x p o u n d e dt h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a da n dt h e t r e n do fd e v e l o p m e n to fw a v ep o w e rg e n e r a t i o n w ea l s oi n t r o d u c e dw a v ep o w e rd e v i c e o ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g ni n c l u d i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c ，w e i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o na n di t sl a c ko fas p e c i f i cd e s c r i p t i o n o nt h i sb a s i s ，w ep u t f o r w a r dt h er e s e a r c hc o n t e n t s e c o n d l y ，w ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ff l o a t i n gt y p ew a v ep o w e rg e n e r a t i n g d e v i c eb r i e f l y w ea l s oi n t r o d u c e dt h ew a t e r so ft h es e a ，w h i c hc a np r o v i d ed a t as u p p o r t f o rt h er e s to ft h es t r u c t u r es e l e c t i o na n ds t r u c t u r a ls t r e n g t hc a l c u l a t i o n t h e n ，w ee s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew a v ep o w e rd e v i c e ，a n d t h r o u g ht h em a t h e m a t i c a lf o r m u l a , w em a d eas i m p l ed e s c r i p t i o na b o u tt h ev a r i o u s p a r a m e t e r so nt h es y s t e m t h e n ，w ec o m b i n e dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n df e a t u r eo ft h ef l o a t i n gt y p ew a v e p o w e rd e v i c ei t s e l f , d i s c u s s e dt h e o r ym e t h o dt h e yn e e di nt h ec o n v e n t i o n a lc a l c u l a t i o n o ft h ed e v i c eb ys e aw a v e ，a n du l t i m a t e l yw es e l e c t e df l o y d k r y l o va s s u m p t i o n ，a n d i n t r o d u c e dt h ea s s u m p t i o no ff l o y d k r y l o v o nt h eb a s i so ft h i s ，w eu s e dt h e a s s u m p t i o nc o m p a r e dt h ec u b o i d ，c y l i n d e r ，s p h e r e a n dc o m b i n a t i o ni n s p e c i f i c i i i 山东大学硕士学位论文 c i r c u m s t a n c e s f i n a l l y ，w e s e l e c t e dt h ef i n a ls h a p eo ff l o a t i n gb o d yi n t h ee n e r g y a b s o r p t i o nr a t ea n dt h es t r e s sa n g l e t h e n ，w ed i s c u s s e dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ff l o a t i n gt y p ew a v ep o w e rd e v i c ei n r o u g hs e ac o n d i t i o n s b a s e do nt h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ee q u a t i o n sa sw e s e l e c t e da r em o r i s o ne q u a t i o n s f o rt h i sp u r p o s e ，w ed e s c r i b e dt h i se q u a t i o n sf i r s t l y ， a n db a s e do nt h ec a l c u l a t i o n ，w ec a l c u l a t e dt h ew a v el o a d f i n a l l y ，w ec o m p a r e dt h ea r r a n g e m e n to ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e r ，t h ed i f f e r e n t d e s i g nm e t h o d so fg u i d ec o l u m na n dg u i d es y s t e m ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n e dt h ee v e r y l i n ko ft h es y s t e ms t r u c t u r e w h e nw eg o tt h ef l o a t i n gb o d yl o a dc a s e s ，w ed e s i g n e dt h e h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ef l o a t i n gt y p ew a v ep o w e rd e v i c e ，a n du l t i m a t e l ys e l e c t e da e l e c t r i c i t yg e n e r a t o r ，ah y d r a u l i cc y l i n d e ra n dah y d r a u l i cm o t o r k e y w o r d s ：f l o a t i n gt y p ew a v ep o w e rd e v i c e ；f l o y d k r y l o va s s u m p t i o n ；m o r i s o n e q u a t i o n s ；h y d r a u l i cs y s t e md e s i g n i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 随着社会的进步，化石燃料日益枯竭，人们的生存环境逐渐恶化，能源问题 已经成为现代社会的头等问题。近些年来随着经济的快速发展，我国的能源消费 总量也已连续多年位于世界前列，按照目前统计的每年平均开采量计算，我国的 石油到2 0 4 0 年枯竭，天然气到2 0 6 0 年耗尽，煤炭存储量到2 3 0 0 年开采完毕。所 以新能源的开发和利用势在必行。 由于海浪能，风能和太阳能等新能源具有清洁，环保可再生的特性，它们的 开发逐渐受到人们的重视，其中由于海洋占有地球表面的7 1 ，海浪能的开发具 有更广阔的前景。 根据能量利用的原理不同，海洋能可分为潮汐能、潮流能，波浪能、温差能 和海水盐能【1 1 。从广义上来说，海洋能还包括海上风能、海洋生物质能和海上太阳 能。 海洋能的优点： 1 、海洋能绿色无污染、取之不尽。据统计，全球波浪蕴含的总能量约为 2 9 5 0 0 t w ，大约为2 0 0 6 年全球消耗掉的电能的2 倍。 2 、海洋能利用装置对环境影响小。海浪发电装置对环境的影响是完全可以预 测和评估的，与其它可再生能源相比，海洋能技术更容易被认可。 3 、社会效益明显。发展海洋能能够促进造船业、渔业等相关领域的发展，同 时，同时，海浪发电还可以解决海防驻军以及边远地区能源紧缺的问题。 4 、海洋能利用过程中不排放温室气体。 我国的海域面积非常广阔，海岸线曲折而漫长，大陆海岸线长约1 8 万公里， 海岛岸线长约1 4 万公里，在这些海域中蕴藏着极其丰富的海洋能资源，据估计其 总能量约为8 x1 0 8 k w ，开发利用的潜力巨大。我国的潮汐能起步较快，现在已经 山东大学硕士学位论文 建成了江夏潮汐电站，海山潮汐电站、福建平潭县潮汐电站等八座电站。相比之 下，海浪发电在我国的起步是比较晚的，我国沿海海域的年平均波高在2 m 左右， 波浪能总能量约有5 1 0 8 k w 。其中，可开发利用的海浪能约为1 1 0 8 k w 。如此潜在 的巨大的能量对于缓解国内面临的能源紧缺、温室效应、日益严峻的环境污染状 况具有非常重要的现实意义乜埘。 1 1 2 课题的研究意义 本课题来源于国家海洋局“1 2 0 k w 全液压漂浮式海浪发电站中试 项目，其目 的在于通过对1 2 0 k w 全液压漂浮式海浪发电装置的设计和研究，来研究、开发和利 用海洋，为最终海浪能发电的产业化发展铺路。其理论和实际意义如下： ( 1 ) 通过对全液压漂浮式海浪发电装置的设计和理论分析，可以初步建立一 套海浪发电装置的设计步骤，为将来海洋能的开发和利用打下坚实的基础。 ( 2 ) 在设计过程中可以进一步的了解海洋，通过对实验海域的了解增强对海 浪周期性和能量密度的了解。 1 2 海浪发电装置的研究现状和发展趋势 1 2 - 1 国外研究现状和发展趋势 在国外，对海浪能的利用可追溯到百年前。1 9 1 0 年，世界上第一套波浪能发 电装置由法国人波契克斯一普莱西克制造成功，该设备采用气动发电方式。从而揭 开了海能利用崭新的一页，其后，英国、挪威、日本、葡萄牙、美国等国对海浪 发电技术进行了研究，技术日趋成熟h 瑚m 3 。到了2 0 世纪7 0 年代，全球范围内普 遍出现的石油危机促使世界各国更加重视对海浪发电技术进行研究。从而使海浪 发电这一领域在理论和实际应用方面都取得了重大突破。 英国具有世界上最理想的海浪发电条件，而且，英国对于海浪发电技术十分 重视，7 0 年代就将海浪发电作为新能源开发的最重要课题，投入了大量人力财力 进行研究。所以其海浪发电技术一直处于世界前沿水平。在8 0 年代初，英国就已 经成为世界上的波浪能研究中心，取得了丰硕的研究成果。其中，爱丁堡大学的 2 第1 章绪论 鸭式海浪发电装置是比较著名的一种。9 0 年代初，英国相继在1 9 9 0 年和1 9 9 4 年 在苏格兰伊斯莱岛和欧斯普雷岛分别建成了一座7 5 k w 震荡水柱式发电站和一座2 万k w 固定岸基电站。1 9 9 5 年8 月，英国制造出了世界上第一台商用发电机，并在 克莱德河口海湾投入运营，其装机容量为2 0 0 0 k w 。2 0 0 0 年1 1 月，岸式波能装置 l i m p e t 在苏格兰i s l a y 岛建成，装机容量5 0 0 k w ，现已上网发电口】。英国p e l a m i s 公司在葡萄牙海港建造的“海蛇”发电装置，是现今最成熟的波能转换装置，它 们由3 个1 5 0 米长的铰接结构组成，每个发电功率可达7 5 0 k w 。这些发电装置组成 了世界上第一个商业海浪发电厂。该发电厂在2 0 0 8 年开始投入使用。它是由数个 浮体连接在一起组成。工作时，浮体在波浪的作用下相互之间产生弯折的相对运 动，浮体和浮体之间安装有连接机构和液压缸，液压缸将相对运动转化为液压系 统的动力，产生的运动驱动液压马达，进而带动发电设备发出电能陋钔n 们。 8 0 年代中期，挪威在卑尔根市附近的_ 个岛上相继建造了两座电站，一座为 5 0 0 k w 的发电站，工作方式为振震荡水柱式，另一座是3 5 0 k w 的发电站则利用聚波 水库发电。前者在1 9 8 5 年开始运行，它拥有一套2 m 直径的对称翼，且可以实现 变速恒频。该电站运行了三年多，包括年的气室实验。但是其运行效率极低， 年平均电量输出不足6 k w ，因此可以说是失败的。后者在1 9 8 6 年开始运行，它采用 了一种喇叭形聚波器，前端喇叭口宽约6 0 m ，是波浪的初始收集地点。另外，它还 有一个长约3 0 m 的导槽，通过导槽的作用，波浪的波高被逐级放大，并溢过边墙， 将波浪能的动能转变为势能，进而推动水轮机组发电1 。 日本是一个资源匮乏的临海国家，故其对海浪发电领域的投入也是不遗余力， 并且也取得了非常令人瞩目的成果。近年来，日本已成为世界上建造海浪发电站 最多的国家，包括振荡水柱式、摆式等多种类型，功率从4 0 k w 到1 2 5 k w 不等。这 些发电装置的典型代表是“海明 号发电船，该船于8 0 年代初建造。船体长度约 为8 0 m ，宽度达1 2 m ，船体上分布着1 3 个震荡水柱气室，共有1 0 台发电机，每台发 电机的容量达1 2 5 k w 。另外，日本在1 9 9 7 年制造出了一台名为“巨鲸的海浪发 电装置。该装置集海浪发电、净化海水和削波避风功能于一体n 羽。 美国政府也非常重视海洋能的开发，并通过财政投入和政策支持来促进海浪 发电研究的发展n 钔。s c r i p p s 研究所在1 9 7 3 年研制出了一个海浪发电实验模型， 山东大学硕士学位论文 工作原理是先将海浪能转化为压力能，压力能带动涡轮发电机组发电。1 9 7 9 年， 一座名为m i n i - o t c e 的海浪发电站在夏威夷岛建造完成，它利用的是温差能发电 原理，这是世界上首座实用意义的温差能发电站。2 0 1 1 年4 月1 5 日，美国o p t 公 司( 海洋能源科技公司) 的新一代浮筒式海浪发电装置p b l 5 0 投入使用，它长达 4 1 米，最大直径处达1 0 米，额定发电功率1 5 0 k w ，每台发电站能够满足1 5 0 个家 庭的用电需求。够经得起飓风、海啸等恶劣天气的考验。这种类型是o p t 公司研 制的最大功率的发电站。 综上可看出，国外的海浪发电研究已经从理论和实验研究向大规模商业化发 展，技术日趋成熟。随着能源危机的日趋明显，国外对海浪发电的投入将会进一 步加大，从而加快海浪发电研究的前进步伐。 1 2 2 国内研究现状和发展趋势 和国外相比，我国的海洋大部分都属于内海，波能密度只相当于一些欧洲国 家的2 0 9 6 - - - 2 5 ，波能密度较低n 劓。我国对海浪发电技术的开发和研究始于上世纪 7 0 年代。1 9 8 9 年，我国的研究人员在珠海市大万山岛建成中国第一座波力电站实 验装置，该装置的装机容量为3 k w 。发电系统将变速恒频发电机和柴油机并联 在一起运行，使发出的电流平稳。1 9 9 6 年，该发电装置被改造为岸式震荡水柱波 力电站，其装机容量被改为2 0 k w n 引。2 0 0 0 年，研究人员又在广东汕尾建成一座海 浪发电站，装机容量为l o o k w 。该电站属于岸式震荡水柱波力电站，具有卸载、过 流调控、超速保护等功能，并实现了电网并网运行，但由于技术原因，以上技术 未能推广。 总体来看，我国的海能发电研究虽然起步较晚，但是近年来已经取得了很大 进步，并在世界上占有一席之地，逐渐有了较大影响力。但是，中国海浪发电的 前路依然是非常曲折的，还需要进一步的研究和攻关。 4 第1 章绪论 1 3 现有主要波能装置工作原理及特性介绍 1 3 1 震荡水柱式波能电站装置工作原理及特性 卜气室2 一气室口3 一双向透平机4 一发电机 图1 - 1 震荡水柱原理示意图( 波峰) 如图卜1 ，在波峰状态时，气室内的水位上升，空气被压缩，压力上升，当 气室内的压力高于外界大气压时，空气在压力作用下从气室口涌出，带动双向透 平机旋转，透平机带动发电机转动，产生电能n 刀。 如图卜2 ，在波谷状态时，气室内的水位下降，气室容积变大，压力下降，当 气室内的压力低于外界大气压时，外界空气在压力作用下从气室口涌入，带动透 平机旋转，透平机带动发电机转动，产生电能。 由于海浪波峰波谷变化是非常没有规律的，通过波峰波谷的作用转换的空气 流是一种非常不稳定的震荡气流，因此，震荡水柱式波能发电站对控制系统和电 能转换系统具有特殊的要求。而且该波能发电站的转换效率低，经济性很差，它 图1 2 震荡水柱原理示意图( 波谷) 山东大学硕士学位论文 在国外特别是欧洲比较普及的原因在于国外海域波能密度大，对发电站的可靠性 要求高，但是中国海域的波能密度普遍较低，没必要追求很高的可靠性，因此， 此类波力发电站不适合在我国大力推广n 引。 1 3 2 鸭式海浪发电装置工作原理及特性 卜鸭背2 一鸭尾3 一鸭肚4 一回转轴5 一鸭嘴 图1 - 3 鸭式海浪发电装置 鸭式海浪发电装置，又称点头鸭式海浪发电装置，因其外形得名。如图i - 3 ， 波浪从左边冲过来，左边的波浪高，这样在鸭嘴5 和鸭肚3 靠上的部分产生推动 力，而右边，即鸭尾5 部分不受力，因此整个鸭体受力不平衡，将会绕回转轴4 产生顺时针摆动。当波浪过去之后，鸭体在回复力矩作用下恢复原状态。当波浪 从右边冲过来时，则鸭尾面受力，鸭体将会逆时针摆动。这样，鸭体和回转轴产 生的相对运动，经过一系列的机构转化后，将带动花键泵转动，花键泵泵出高压 液压油，驱动液压马达旋转，液压马达带动发电机转动，产生电能阻钔。 鸭式海浪发电装置的外形是依照波浪力的大小在纵深方向上逐渐递减的原理 来进行设计的。根据不同的波浪情况，恰当的设计鸭式海浪发电装置的外形，可 实现发电装置能量转化效率的最大化。根据经验，鸭体圆筒部分直径等于波浪波 长的i 8 时，可使能量转化效率达到8 0 9 0 ，在大规模安装使用时，可将一连 串的鸭体的回转轴通过一个个挠性接头连接在一起，这样每个鸭体可单独运动， 并且结构简单，安全性好，效率高，容易实现大规模布阵发电。但是，这种海浪 发电装置的结构复杂，海上工作安全性差，未获实用。 6 第1 章绪论 量量曼曼曼曼曼量喜量量曼置量量量曼曼量i i 皇曼量曼量曼量量皇皇量罾皇皇曼舅舅量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量量量鼍舅曩量置囊量曼鼍蔓毫皇曼曼舅皇 1 3 3 波动筏式海浪发电装置工作原理及特性 波动筏式海浪发电装置的原理图如图1 - 4 。 卜波动筏2 一铰接装置3 一液压缸 图1 - 4 波动筏式海浪发电装置原理图 在图示状态下，三个波动筏体将随着海浪上下运动，两两筏体之间的夹角是 不断变化的，从而产生相对运动，在筏体和筏体之间安装液压缸，液压缸的缸简 和缸杆分别和两个不同的筏体相连。两阀体角度的相对差值使液压缸的缸杆和缸 筒产生相对运动，推动液压缸内的液压油运动，液压油带动液压马达( 图中未画 出) 转动，液压马达带动和它相连的发电机转动，产生电能【2 0 】。 这种发电装置的效率可达5 0 ，而且结构简单，制造成本低，安装方便，可 适应各种海况，维修方便，可靠性高，能够经受大风大浪的袭击【2 1 1 。 1 3 4 振荡浮子式海浪发电装置工作原理及特性 振荡浮子式海浪发电装置是在振荡水柱式海浪发电装置基础上发展起来的。 其原理图如图1 - 2 。 图中，基座l 固定在海底，立柱6 固定在基座上。齿条5 固定在立柱上，它们都 是固定不动的。浮体2 、发电室3 连成一体。发电室内有和齿轮4 相连的发电机。工 作时，浮体和发电室连成的整体随着波浪上下运动，从而和固定的立柱产生相对 运动，从而齿轮和齿条将会产生相对运动，这是能量的一次转化，垂直方向的波 浪能装化为机械能。齿轮带动发电机转动，动能转化为发电机的电能。这是能量 的二次转化忙副。 7 山东大学硕士学位论文 这种形式的海浪发电装置减少了能量转化环节，因此转化效率比较高，至少 在3 0 左右，结构简单，造价低廉，使用寿命长，可实现模块化生产，因此非常利 于大规模化生产，具有广阔的发展前景。 卜基座2 一浮体3 一发电室4 一齿轮( 和发电机相连) 5 一齿条6 一立柱 图1 - 5 振荡浮子式海浪发电装置原理 装置中的齿轮齿条副可以用液压马达一液压缸来代替，海浪能转化为液压系统 的压力能，再通过马达的作用，将压力能转化为机械能，带动发电机转动，产生 电能。 1 4 课题的提出 课题依托国家海洋局可再生能源专项资金项目“1 2 0 k w 漂浮式液压海浪发电 站中试( 项目编号g h m e 2 0 1 0 z c 0 1 ) 。该科研项目的目的在于开发一种新型波 浪能发电装置，并确定该发电装置的工作方式和原理，完成该发电装置的结构设 计，并对其结构进行分析和优化设计。 海洋波浪能作为一种可再生能源，长期以来，各国都投入了大量的人力、物 力对其进行研究和实验。在各种各样的海洋能发电装置中，振荡水柱式波浪能转 换装置具有较高的可靠性，在一些海域波能密度较高的国家，得到了重点的发展。 8 第1 章绪论 但是振荡水柱式波浪能转换装置二级能量转换效率较低，且近海海域放置，因此 对近海的波能密度要求较高，而中国附近海域的波能密度与欧洲国家相比要低很 多，不到他们的2 0 至2 5 ，所以在我国采用欧洲惯用的振荡水柱式波能装置就显 得不太理想乜羽。 为此，本文研究了一种新型的波浪能发电装置全液压漂浮式海浪发电装 置，这种装置立柱下端固定于海底，通过与导向柱配合的浮子吸收波浪能使之相 对导向柱运动，进而驱动安装于导向柱内的液压系统进行发电。与振荡水柱式装 置相比较，全液压漂浮式海浪发电装装置并不需要很高的波能密度，并且可以有 效的将波浪能转化为电能，并通过液压控制实现电压的稳定输出。 1 5 课题的主要研究内容 全液压漂浮式海浪发电装置有立柱固定式和漂浮式，本课题的主要研究内容 为立柱固定式，并在此基础上重点研究以下内容： ( 1 )总体方案的设计及确定系统的发电形式和原理 ( 2 )浮子和立柱的波浪载荷计算 ( 3 )结构的有限元分析 ( 4 )方案的优化设计 9 第2 章全液压漂浮式海浪发电装置的工作原理与试验海域海况简介 第2 章全液压漂浮式海浪发电装置的工作原理与实验海域海况简 介 海洋波浪能是一种新型的无污染、可再生的清洁能源，利用波浪能发电可以 为船舶导航、为海上科研做定点标记和为原理大陆的海岛居民提供电力。基于以 上原因，笔者所在实验室拟设计一款适应海域广，能量吸收率高的全液压漂浮式 海浪发电装置。 2 1全液压漂浮式海浪发电装置的工作原理 根据试验海域的具体情况，全液压漂浮式海浪发电装置采用浮子式海浪发电 装置吸收波浪能。其主体立柱固定于海底，浮子贯通于主体立柱，系统利用浮体 吸收波浪能产生垂向运动来推动液压缸运动，进而通过液压缸内产生的高压油驱 动液压马达旋转，从而带动与液压马达连接在一起的低速大扭矩发电机发电。 系统在工作的过程中，通过各级能量转换机构将波浪能转换为电能，其具体 的工作原理如图2 1 所示： 海上垂浮子的j液压缸j 液压马一 向、瘐浪垂向运j杠杆的j达的旋j 载荷j动j 垂向运j 转j 动j ( a )系统的运动形式j 、瘐浪垂j 浮子垂j液压缸一液压马j 电能j 向运动j向运动j 的液压j 达的旋j 的动能j 的动能j能j转动f b - c b ) 系统的能量传递形式一 图2 1 发电系统的工作原理 山东大学硕士学位论文 2 2 全液压漂浮式海浪发电装置的结构简介 全液压漂浮式海浪发电装置的工作原理如上所示，为了实现以上原理所描述 的能量转换过程，全液压海浪发电装置必须具备以下几种结构，其工作原理图如 图2 2 所示( 方案一) ： 能量吸收机构，也就是第一级能量转化装置，它的作用是将波浪的垂向运 卜顶盖2 一发电室3 一浮子4 一液压缸杠杆5 一立柱6 一底座 图2 - 2 全液压漂浮式海浪发电装置原理图 动转换为发电机构所具有的动能。为了实现以上功能，发电装置必须有一对实体， 即受能体和实体。受能体的作用是用来直接与海水接触，用来吸收波浪能垂向运 动方向的动能。定体相对与受能体来说是相对固定的，与受能体产生相对运动或 相位差。全液压漂浮式海浪发电装置的受能体是具有钢结构骨架的浮子3 ，因此， 其第一级能量转换属于波能机械能转变。定体为固定于海底的立柱5 ，浮体3 贯通 于立柱5 ，与立柱5 产生相对运动。 中间转换装置，全液压漂浮式海浪发电装置，其中间转换装置采用液压转换， 通过浮子3 吸收的垂直方向的波浪能转换为液压缸杠杆4 相对缸筒的运动，进而 1 2 第2 章全液压漂浮式海浪发电装置的工作原理与试验海域海况简介 产生带有压力的液压油，采用该种能量转化方式，可以通过蓄能器吸收大部分的 运动脉冲，使高压油输出脉动小，进而使输出电压相对稳定。 最终转换装置，全液压漂浮式海浪发电装置的最终转换装置，是采用液压马 达来驱动位于2 中的低速大扭矩电机，进而进行发电。 整套全液压漂浮式海浪发电装置通过底座6 与海底固定，并有三条缆绳( 图 中未标明) 通过项盖将该装置与海底固定。 2 3 试验海域的海况简介 海洋能开发利用技术的发展与海洋能装备的产业化息息相关，现今我国的大 部分海洋能发电装置处于研发、示范阶段，而海上试验是海洋能装置从工程样机 走向规模产业化的关键环节。因此海洋能试验场的建设和选址是十分必要的。 一般情况下海浪能的选址必须具备以下条件： ( 1 ) 海域特征：海面开阔，场址内无( 或极少) 有岛礁与大型海上构筑物对 波浪造成遮拦； ( 2 ) 水深：水深为1 0 米至3 0 米； ( 3 ) 波高：年平均波高大于0 5 米( 全年中，平均波高大于0 5 米的月份应多 于七个月) ，h 1 1 0 大于l 米，有效波高大于o 8 米，每年一遇大波波高小于3 米。 ( 4 ) 波周期：年平均波周期2 秒只6 秒； ( 5 ) 地质结构：近岸两公里海域地质结构稳定，地形不复杂，平坦少岩石的 硬底质。 ( 6 ) 其它要求：自然灾害不频繁海区，符合地方功能区划，交通便利。当地 政府重视海洋能开发利用与保护，民众普遍具有海洋环境保护意识，所在省区拥 有较强的海洋科研力量。 国函 2 0 1 1 】l 号文件批复的山东半岛蓝色经济区发展规划中明确提出：“在 乳山、荣成、日照等海域规划建设潮汐能和波浪能发电示范项目，逐步加快海洋 能的开发利用步伐”。在此基础上，以国家海洋技术中心为牵头单位的项目组经过 多次调查和论证最终将实验场址选在了山东荣成成山头至龙须岛离岸1 5 k m ，面 积约7 0 k i n 2 的区域。 山东大学硕士学位论文 根据成山头海域的历史统计资料表明：该海域十分之大波波高为1 8 1 m ，十 分之一的大波周期为6 4 9 s ，有效波高为1 0 1 m ，有效周期为5 6 7 s ，平均波高为0 4 0 m ， 平均周期为4 0 6 s 。 波浪能的时空分布特征及变化规律如下： ( 1 ) 时间分布规律。一月、十一月和十二月是一年中能流密度最大的时候可 达7 k w m 以上，大部分区域在3k w m 以上。六月、七月和八月波浪能流密度最 小，最大值不超过2 k w m 。由以上数据可以看出，该海域冬季波浪能流密度最大， 夏季能流密度最小，春秋季介于两者之间。 ( 2 ) 空间分布特征。通过调查发现能流密度高值区在冬季集中在东北角，最 大值可达到7 k w m 左右；空间上沿东北西南走向逐渐减小，大部分海域也可达 3 k w m 。春季东北季风减弱，受地形条件限制，波能依然主要由东北向西南递减， 形成同样的波能分布，但量值减少1 5 3k w m ，整个区域波浪能分布趋于平缓。 夏季受到西南季风影响及南部涌浪入侵，波浪能分布转为由东东南向西西北方向 递减的形态，量值约为1 2 2 k w m ，高值区集中在东部外海。秋季逐渐向冬季风 形态下的波浪能分布形态转变，量值约为1 - 4k w m 。 综合来看，由于陆地阻隔，该海区南部是波浪能流密度相对较小的区域，东 北侧为能流密度较集中的区域。 选址确定后，相关单位对荣成成山头至龙须岛离岸1 s k m ，面积约7 0 k i n 2 的 区域进行了为期一年的波浪测量，测量结果如下： 十分之一大波波高为1 3 6 m ，周期为6 9 2 s ，有效波高为1 1 2 m ，有效周期为 5 9 9 s ，平均波高为0 8 4 m ，平均周期为4 9 4 s 。 2 4 本章小结 本章简单的介绍了全液压漂浮式海浪发电装置的工作原理和结构，并介绍了 实验海域的海况，通过对工作原理的介绍，可以很好的理解全液压漂浮式海浪发 电装置的工作过程，同过对试验海域的介绍可以从中得到海域的基本情况，为以 后的计算提供数据基础。 1 4 第3 章全液压漂浮式海浪发电装置的运动特性分析和参数优化 第3 章全液压漂浮式海浪发电装置的运动特性分析和参数优化 前面我们从静态的角度讨论了全液压漂浮式海浪发电装置的受力，并且分别 计算了全液压漂浮式海浪发电装置在平均海况和恶劣海况下的受力，并以此为依 据，对全液压漂浮式海浪发电装置进行了有限元分析。这一章，我们将建立全液 压漂浮式海浪发电装置在平均海况下的数学模型，并对其进行进一步的优化。 3 1 全液压漂浮式海浪发电装置的数学建模 通过第二章的介绍，我们可以知道，系统通过浮体吸收波浪传递来的能量， 对合适位置上安装的液压系统做功的，所以我们可以认为在单个周期内，浮体对 系统做的功为： w = r( 3 1 ) 式中f 一浮体提供给液压系统的作用力( n ) ； x 一浮体的运动振幅( m ) 。 为了便于计算我们需要简化系统，设计之初，我们就认为在静水状态下，全 液压漂浮式海浪发电装置所受到的浮力和系统的重力是一对平衡力。当不考虑系 统重力的时候我们就可以将系统的数学模型简化为一个弹簧一阻尼一质量系统， 结构简图如下所示： 图3 - i 全液压漂浮式海浪发电装置的数学模型简图 作用与系统上的力，我们大体上可以划分为三种，即弹簧力、波浪力、阻尼 力。我们假定系统的位移从静水面开始。当系统处于静水面时我们认为弹簧处于 山东大学硕士学位论文 自然状态，即弹簧力为零。处于波峰或波谷时弹簧力最大。因此我们可以建立以 下数学模型嘲1 。 m x + b x + k x = f ( t ) ( 3 2 ) 式中m 一浮体的质量( k g ) ； 曰一系统的阻尼系数； k 一弹性系数； f 垂直波浪力( 。 通过下面的分析，我们会初步求得了浮体上所作用的垂直波浪载荷，通过进 一步的分析我们就可以求得系统的最优阻尼，并计算出系统的位移函数1 2 5 1 。 3 2 运动方程的分析求解 为了不失一般性，我们仍然以线性波理论中所给出的计算公式进行计算推导。 在线性波理论中，波浪力，可表示为： ，( f ) = f os i n ( w t + t p ) ( 3 - 3 ) 联立式( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 可得： m x + b x + k x = f os i n ( w t + q o ) ( 3 - 4 ) 两边除以m 可得： 。2 刀。x = 鲁s i i l ( w r + 9 ) ( 3 - 5 ) 式中 2 甩= 万b ，= 言 根据高等数学所介绍的知识，我们知道二阶常系数微分方程的解通常由齐次 微分方程的通解和非齐次线性微分方程特解组成。 在小阻尼的情况下，齐次线性微分方程的解可表述为： x ( ，) = e 州( 4c o s w 耐t + a zs i n w m ) ( 3 - 6 ) 其中： w n d = 以一刀2 ( 3 - 7 ) 1 6 第3 章全液压漂浮式海浪发电装置的运动特性分析和参数优化 式中 一无阻尼自然频率； 一有阻尼自然平率。 式( 3 - 4 ) 的特解可表述为： x ( f ) = 鸣s i n ( w ，+ 9 ) + 4 c o s ( w f + 妒) 进一步转换我们可以做一下描述： z ( f ) = a s i n ( w t + c p - f 1 ) 式中： 么= 而 伽p 一毒 ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 跃豆瓦( 3 。5 ) 利( 3 。9 ) ，开且由于s i n ( w t + 纠和c o s ( w t + 纠开个就但等于0 ， 所以我们可以的到下式： f 一4 w 2 + 2 n d a w + w ： = o 1 4 w 2 + 2 以, w 确= 鲁 。1 。 求解( 3 1 1 ) 可得： p 高南 。2 ， 卜鲁南 e a = 七 州 t a n 卢= 而2 1 q w f 为了进一步的简化，我们假定： ( 3 - 1 3 ) 1 7 仁一 地一砒7 卜岍警咖， - p 饥。彳 s i n c 州舾小型学# 蛐咖 1 8 第3 章全液压漂浮式海浪发电装置的运动特性分析和参数优化 3 3 全液压漂浮式海浪发电装置的运动特性分析 系统的动态运动特征分析主要是对系统运动的振幅、频率、相角和阻尼的分 析。通过前面的介绍我们知道系统的稳态过程是与约束力f ( ，) 相关的，受迫振动 的频率与约束力f ( t ) 的频率相同，而与阻尼无关，当约束力f ( f ) 是简谐力时，系 统的稳态运动也是简谐运动。通过对式( 3 1 4 ) 的分析，我们可以知道受迫运动的 振幅和初始条件以及时间均不相关，而其影响因素我们也将做重点分析。 进一步分析式( 3 1 4 ) 我们可以做以下的改动： 彳：争t = 丢：矗口 ( 3 1 7 ) k ( 1 一y 2 ) 2 + ( 2 靠) 2 “ 式中： k 2 詈( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) 通过以上的改动我们可以进一步的确定，受迫振动的位移和约束力振幅e 的 静位移的大小成正比，比例系数为a ，并且a 和频率比y 以及阻尼比 有关。 为了更明确的表达频率比y 对振幅的影响，我们绘制图3 - 2 ，如下所示： | t | 厂、lf _ 0 1 | f | 力 i o 1 - 0 1 5 移 il | 、l | 1 0 1 5 钐 夕一， 心k 一 o 父蕊 、 王鎏- - _ 1 a 2 一 三富皇 3 - 2 幅频响应曲线 1 9 山东大学硕士学位论文 我们称此曲线为位移一幅值的频率响应曲线，通过此曲线我们可以观察到： 1 ) 当频率比y 非常小，或者说约束力，( ，) 的频率远小于全液压漂浮式海浪发 电装置的固有频率时，带阻尼受迫运动的比例系数口接近于1 ，由公式( 3 1 7 ) 我 们可以得出此时，受迫运动的振幅接近于系统的静位移，此时，我们可以认为约 束力为静力作用于全液压漂浮式海浪发电装置上。 2 ) 而当频率比，接近于l 时，系统的振幅达到最大，此时出现了所谓的共振 现象。观察表3 2 我们可以看到，此时系统的振幅和阻尼有关，阻尼越大，振幅越 小。 3 ) 当频率比y 远大于1 时，系统振幅趋于零。 上面我们讨论了系统频率比y 对全液压漂浮式海浪发电装置的受迫运动振幅 大小的影响，另外根据公式( 3 1 7 ) 我们可以得出影响系统振幅的因素除了系统频 率比，外，还有系统的阻尼，在表3 2 中，我们看到，对应着不同的阻尼比 系统 有着不同的频率响应曲线，阻尼比负相关与系统的振幅。进一步的，我们假定 系统的阻尼为0 ，我们就会得到系统的无阻尼响应曲线。此时系统的比例系数 弘南 协2 弘网 。2 若此时系统的频率比y 接近于l ，则比例系数口接近于无穷，系统的振幅无限 大，当然这种情况不存在，但也是不允许存在的。观察表3 - 2 ，随着阻尼比的增 大，系统的振幅在逐渐的减小，但是当系统的频率比y 远大于l 时，阻尼对振幅的 影响便变得非