海能发电机论文

学校 北华航天工业学院 参赛类别 科技 A 类 第十二届 挑战杯 全国大学生课外学术科技作品竞赛 作品申报论文 多浮子式波浪能发电机 Multi float Wave Energy Generator 沈体强 陈晓松 杨雷 杨建 曹颖 指导老师 赵先仲 教 授 2011 年年 4 月月 中文摘要 随着经济和社会的发展 人类对能源的需求量越来越大 由于目前主要的能源不具有可再生性 导致了能源危机不断出现而成 为社会发展的一个瓶颈 目前 以波浪等形式存在的海洋能源是地球 上最具潜力的能源 具有无污染 可再生等其他能源所不具备的优点 因此 我们利用海洋波浪具有的势能来驱动波浪能发电机的浮子往 复振动 通过机构中的杠杆将浮子上下振动的能量转化成圆盘组的转 动动能 再通过与圆盘组同轴转动的主动齿轮带动被动齿轮使发电机 旋转 同时 我们设计了带有多浮子的杠杆组来配合圆盘组 以达到 将波浪能转化为稳定的电能的目的 就目前发展的波浪能发电机而言 大多有机构设计复杂 制造费 用高 机械维护较为困难 二级转换效率低 发电不稳定等缺点 我们 通过研究和分析 针对波浪能是一种不稳定的能源 设计出了一种多 浮子式波浪能发电机 可达到较高的能量转换效率 而且结构简单 总成本低 适用于大范围的推广应用 关键词 波浪能 圆盘组 转换效率 多浮子式 Abstract With the economic and social development 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 sources 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 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 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 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 float 1 研究背景和意研究背景和意义义 21 世纪是海洋的世纪 人类从大海中利用资源已成为必然趋势 海浪总是周而复始 昼夜不停地拍打着海岸 其中所蕴藏的波浪能是 一种取之不尽的可再生能源 有效利用巨大的海洋波浪能资源是人类 几百年来的梦想 波浪能具有能量密度高 分布面广等优点 它是一 种取之不竭的可再生清洁能源 尤其是在能源消耗较大的冬季 可利 用的波浪能能量也最大 并且 小功率的波浪能发电已在导航浮标 灯塔等获得推广应用 虽然现在波浪能发电装置五花八门 通常的采集系统形式有波力 发电船式 点头鸭式 波面筏式 环礁式 整流器式 海蚌式 软袋式 振荡水柱式 多共振荡水柱式 波流式 摆式 结合防波堤的振荡水柱 式 收缩水道式等十余种 但都在不同程度上有着机构设计复杂 制 造费用高 机械维护较为困难 二级转换效率低 发电不稳定等不足 之处 为了达到更好的整体效果 使波浪能发电机不仅结构简单 成 本低廉 而且可靠性好 系统输出稳定 我们设计了多浮子式波浪能 发电机 以适应现代社会对能源的大量需求 2 研究内容与方法研究内容与方法 经过对现有常用波浪能发电装置的能量采集系统 转化系统和输 出系统的分析 我们确定了研究的方向 就是要解决发电装置的二级 转换效率低 发电不稳定和制造费用问题 以提高波浪能发电机性能 的可靠性和稳定性 另外 我们精心设计了波浪能发电机的结构形状 以使我们的作品在性能和成本两方面达到比较好的平衡 通过先局部后整体的研究方法 我们首先对我国海域波浪的各种 参数进行了研究和归纳 总结出了我国沿海的有效波高和波浪的大概 生成周期 再根据我们给波浪能发电机设定的输出功率值 便可以大 致地确定了浮子的大小 接着就可以确定杠杆和圆盘组的参数 波浪 能发电机的基本尺寸 大概的形状和各种机构之间的组合关系 最后 我们着重对浮子的形状 装置的外形进行了优化 使我们设计的多浮 子式波浪能发电机更加完善 3 研究研究结结果及分析果及分析 通过对我国海域波浪参数的收集 得出我国沿海有效波高约为 1 5 3m 周期为 9s 的波列 由于在海浪中发电机壳体也会上下运动 为尽量避免这一现象 我们在发电机壳体的下面系一重物 并使重物 处在静水层 约海水表层 10 米以下的深处 这样便可使发电机壳体 几乎处于稳定状态 从而我们可基本确定浮子的振动幅度为 0 8 米左 右 这里我们按最低估计 为使发电机连续转动 我们确定圆盘组中每个圆盘的齿 圆柱体 数 n 为 16 个 根据圆盘半径 R 为 100mm 可得任意相隔一个齿的两 齿 圆柱体 之间的角度为 45 度 而杠杆在转动过程中可以与齿发生 干涉的角度 45 度 以圆盘的圆心角计 从而可得在任意时刻 杠杆 转动的过程中必有两个齿与其发生干涉 再加上单向阀的作用 便可 保证圆盘组连续单向的转动 我们设定波浪能发电机的输出功率为 1 2kw 根据公式 T P 其中 T 为圆盘转动的扭矩 角频率 P 为波浪能发电机的 输出功率 得 T P 由我国沿海波浪周期平均为 9s 可计算出杠杆的 角频率 约与波浪角频率相同 由于杠杆阻力臂约是圆盘半径的 1 5 倍 则 的值应约为杠杆角频率的 1 5 倍 又两齿轮的传动比为 73 18 4 则作用于主动齿轮上的扭矩是作用于被动齿轮的扭矩的 4 倍 被动齿轮转动的角频率是主动齿轮转动的角频率 4 倍 则 T 1200 9 2 1 5 42 71 66N m 则杠杆作用在圆盘齿 圆柱体 上的力 F T R 71 66N m 100mm 716 6N 根据杠杆的动力臂与阻力 臂之比为 7 则可得出波浪作用于浮子的浮力 F 716 6N 7 102N 由 浮力的计算公式可得出浮子的排水量 V 则排水量 V F g 0 0104 立方米 为使浮子形状满足排水量和机构设计的要求 我们将浮子设计为 圆柱体 一是圆柱体侧面有球面的性质 二是圆柱体有两底面 比球 体等其他形状少占空间 可减小装置的大小 我们设计的浮子大小为 底面半径为 125mm 高为 140mm 若考虑圆角 此浮子的体积为 0 0067 立方米 大于计算出的排水量的一半 V 2 由于我国沿海波浪大约是周期 T 为 9s 的波列 由于浮子的振动 频率几乎与波浪的频率完全一致 则浮子与圆盘圆柱齿作用一次所用 的时间为周期 T 的 1 4 即 2 25s 也就是说在波浪振动的一个周期内 浮子可与与圆盘圆柱齿作用作用两次 根据线性海浪理论 海浪为振 幅 频率 波向和相位不同的许多正弦波叠加的结果 而我们共设计 了 8 个浮子 一边 4 个 8 个浮子所覆盖的区域存在着许多独立的波 浪进行叠加 其叠加后的周期会更短 所以至少会有两个浮子同时做 功 这样便可在任意周期内使圆盘组不断旋转 也可实现达到波浪能 发电机预定功率所需要的排水量 从而可以很好地实现波浪能发电机 的功能要求 4机构机构设计设计 4 1 1 一级转换机构 4 1 2 二级转换机构 4 1 3 三级转换装置 4 1 4 结构组装图 4 1 5 总体效果图 4 1 6 主要尺寸设计 圆盘 主转轴支架 杠杆 单向阀 5功能分析功能分析 浮子的功能是获取波浪的能量并将其传递给杠杆 杠杆的功能是 增大作用于圆盘上的力 使波浪能发电机具有一定的扭矩来实现预定 的功率 圆盘组的功能是使多个浮子可以同时工作 并使齿轮大致以 一个固定的速度旋转 从而使波浪能发电机输出的电能较为稳定 便 于储存 齿轮组的功能是增加发电机的转速 提高发电功率 单向阀的功能是保证圆盘组和齿轮向一个固定的方向转动 使波 浪能发电机能连续发电 两侧的单向阀的安装方位是相反的 从而实 现圆盘组的单向转动 重物的功能是使壳体相对于浮子较为稳定 从而使波浪的能量较 为充分的转化 重物系于波浪能发电机壳体下 位于海洋表层以下约 10m 其未在效果图中画出 6 问题问题与与讨论讨论 在波浪能发电机设计的过程中 由于波浪能是一种不稳定的能源 如何使发电机输出的功率较为稳定便成为了一个难题 如何通过简单 的机构将其转化为较为稳定的能量呢 我们通过组内成员之间的讨论和分析后 确定了一种机构即将波 浪能发电机设计为多浮子式 并加入储能器的辅助 便可以很好地解 决波浪发电机功率输出不稳定的现象 为了实现圆盘组和齿轮向一个 固定的方向转动 从而使波浪能发电机能连续发电 我们经过讨论设 计了单向阀 使杠杆只向一个方向拨动圆盘 还有一个就是浮子形状的确定 起初我们将其设计为球体 但经 过指导老师分析 我们改变了想法 开始寻找其他合适的形状 最终 我们从总体的角度考虑 将浮子形状设计为圆柱体 7 结论结论 一般来说 100kw 以下的小发电机效率在 80 90 所以本项目 如果再做进一步的研究和设计后 其转换效率将不会低于 50 相比 于现有的波浪能发电机的转换效率是比较有发展前景的 多个浮子可以使发电装置在单位面积上最大限度地捕获波浪的 能量 从而提高了发电机的转换效率 同时可保证能量相对稳定地转 化和输出 对于我们的装置 其总体结构较简单 且整体费用低 能量转换 和输出比较稳定 适用于大范围的推广应用 8参考文献参考文献 1 2 3 左然 施明恒 王希麟主编 可再生能源概论 北京 机械工业出版社 2007 6 4 艾德生 王革华主编 新能源概论 北京 化学工业出版社 2006 7 致致 谢谢 在论文完成之际 我要特别感