浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化.pdf

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1、第35卷第5期2016年10月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35，No．5Oct，2016doi：10．3969／j．issn．1003-2029．2016．05．017浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化李蒙1，李雪临2，王兵振1，段云棋1(1．国家海洋技术中心，天津300012；2．国电联合动力技术有限公司，北京100039)摘要：波浪能作为一种蕴藏丰富、可再生的清洁能源，在世界上受到了广泛关注。文中提出了一种浮力摆式波浪能发电装置，简要介绍了该装置的工作原理

2、以及基本组成，并对其关键技术进行了研究：建立了装置动力响应特性模型，结合站址海域波浪环境条件对装置进行了水动力特性分析，获取装置对波浪的响应状况，确定了关键设计参数；利用该参数对装置进行了结构设计，并对其关键受力部位进行强度计算与优化。结果表明。装置在规则波条件下具有较高的能量转换效率，同时满足其在极限波况下的强度要求。关键词：波浪能；发电装置；水动力分析；结构设计；强度中图分类号：P743．2文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)05—0085—05当今世界对能源的需求越来越大，然而传统

3、能源却面临枯竭以及环境污染等一系列问题。在这种形势下，可再生能源的开发13益受到重视。海洋能作为可再生能源，因其清洁环保、潜力巨大等特点而备受瞩目。海洋能主要包括波浪能、潮汐能、潮流能、温差能、盐差能等。其中波浪能是海洋中蕴藏量最为丰富的能源之一，也是被研究利用得较多的能源之一。世界上许多国家，包括英国、法国、13本、挪威，都对波浪能进行了研究开发。中国也是世界上主要的波浪能研究开发国家之一，拥有丰富的海洋资源，波浪能开发潜力巨大。目前，国际上较为主流的波浪能发电技术主要有摆式、筏式、振荡水柱式、点吸收式

4、技术等⋯。本文设计了一种摆式波浪能发电装置，对其设计原理、结构参数、强度优化进行了研究。1装置工作原理浮力摆式波浪能发电装置的原理如图1所示。整个摆式波浪能装置主要由摆板、液压缸、摆板底座、重力式基础等部分组成，均位于水下。摆板的摆动轴线置于摆板的底部，液压缸与摆板、底座间均通过铰链连接。摆板、液压缸和底座形成了一个曲柄摇块的四连杆机构，其中摆板为曲柄，液压缸活塞杆为连杆，液压缸桶为摇块，底座为机架。在波浪作用下，摆板绕转轴往复摆动，从而带动液压缸活塞实现往复直线运动。当液压缸活塞运动时，从液压缸中排出带

5、有一定压力的液压油进人水下液压系统；其所产生的高压液压油通过管路输送到液压系统并驱动液压马达，液压马达驱动发电机发电[21。图I摆式装置工作原理2装置水动力特性分析2．1波浪资源波浪能发电装置的布放地点位于浙江省嵊山收稿日期：2016—04—0l基金项目：海洋可再生能源专项资金资助项目(GHME2011GC01)作者简介：李蒙(1983一)，女，硕士研究生，主要从事海洋能发电技术研究。Email：limeng_621@163．con海洋技术学报第35卷岛。根据对站址海域波浪状况的调查与分析，以及观测站的长

6、期观测数据，可以得出站址海域设计波浪要素和潮汐变化情况。站址海域波浪环境条件如下：(1)波浪能装置的工作波况为H=I～3m，带载荷状态。极限波况为3．75m，自由摆状态。(2)站址海域波浪累年各月周期分布平均值约为4．7S。(3)站址海域水深12．5m，平均潮差2．45m，最大潮差4．65m，为正规则半日潮【3】。2．2水动力分析对于摆式波浪能装置而言，在波浪作用下的动力响应问题可简化为一个二阶系统，如图2所示。图中，p为摆板与垂直平衡位置的夹角；B为水作用在摆板上的浮力；P为作用在摆板上的重力，在此假定

7、摆板的浮力大于摆板的重力；6为摆板的厚度。在波浪作用下，摆板产生往复摆动运动，其平衡方程可近似为：(，+¨钟(Ⅳ+N1)O+KO=Msin(tot)(1)式中：，为摆板的转动惯量；，。为摆板在水中运动时的附加转动惯量；Ⅳ为摆板在水中摆动时水对摆板运动形成的阻尼系数；Ⅳ1为液压系统(含发电机)对摆板形成的运动阻尼系数；K为恢复力矩系数；p为摆板摆角；M为波浪产生的激振力矩幅值；to为波浪的圆频率；￡为时间变量。图2摆式波浪能俘获装置示意图由方程(1)可得摆板的摆角：p：——产：：：亍：ii』坚：亍：：：is

8、in(∞t—d)(2)、／(，+¨2菇一∞2)2+(Ⅳ+Ⅳ。)2∞2、7摆板的能量转化效率为：7／：—丁≠尝-(3)2———丁—丁—了了。1————丁LjJ(，+J『1)((．．oo-03)+∞(，v+ⅣI)其中：oz=tan[(Ⅳ+Ⅳ1)∞／∽¨∞o一∞)](4)∞；=K／(，+，1)(5)由式(3)可以看出，当摆板的固有圆频率∞。和波浪的圆频率∞相等时，摆式波浪能装置的能量转换效率达到最大[61。因此，应尽力保证摆式装置的