單臂振蕩波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計,振蕩,發(fā)電,裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 ?? 設(shè)計（論文）題目： 單臂振蕩波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 ? 學(xué)生姓名： 專????業(yè)： 所在學(xué)院： 指導(dǎo)教師： 職????稱： 發(fā)任務(wù)書日期：年月日 任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、系（院）領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生。 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫，不得涂改或潦草書寫；或者按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，要求正文小4號宋體，1.5倍行距，禁止打印在其它紙上剪貼。 3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系（院）主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫。 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“學(xué)院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號，不能只寫最后2位或1位數(shù)字。 5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照《金陵科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范》的要求書寫。 ?6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2002年4月2日”或“2002-04-02”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： ? 本課題屬于教師自主命題，來源于工程實踐。 目的： 1、通過本課題的設(shè)計研究，考察學(xué)生四年來在校所學(xué)的專業(yè)知識水平及運(yùn)用專業(yè)知識解決設(shè)計項目的創(chuàng)新能力； 2、通過本課題的研究使學(xué)生系統(tǒng)的熟悉機(jī)械設(shè)計分析及掌握相關(guān)的設(shè)計手法。 3、通過本課題使學(xué)生熟練掌握制圖方法、規(guī)范設(shè)計圖紙畫法以及提高使用設(shè)計軟件解決應(yīng)用問題的能力。 2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： ? 1.???? 畫出裝配圖，零件圖 2.???? 內(nèi)部設(shè)計 發(fā)電原理: 波浪能作為可再生能源其中一種,雖然具有不穩(wěn)定的特性,但是在全球各類海洋能實際可開發(fā)量最大。波浪能具有非常好的開發(fā)意義和開發(fā)前景,如果開發(fā)得當(dāng),將成為一種可以提供人類生活生產(chǎn)需要的綠色能源。在浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的研究過程中,遇到的首要問題就是波浪與浮力擺之間相互作用的問題。模型試驗雖然能更準(zhǔn)確的反應(yīng)真實的波浪情況,但仍有許多因素是不可控制和不可模擬,且模型試驗的耗時長、費(fèi)用高；下海試驗的結(jié)果最直觀和準(zhǔn)確,但相應(yīng)的成本也非常高,且研究周期長,出現(xiàn)故障也不方便維修處理；隨著計算機(jī)性能的不斷提高,數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性越來越高,可以與試驗?zāi)M互補(bǔ),在波浪能發(fā)電裝置的前期設(shè)計和場地實驗中提供參照。波浪能作為可再生能源其中一種,雖然具有不穩(wěn)定的特性,但是在全球各類海洋能實際可開發(fā)量最大。波浪能具有非常好的開發(fā)意義和開發(fā)前景,如果開發(fā)得當(dāng),將成為一種可以提供人類生活生產(chǎn)需要的綠色能源。在浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的研究過程中,遇到的首要問題就是波浪與浮力擺之間相互作用的問題。工作原理是利用上面桿的擺動然后通過里面的機(jī)構(gòu)把動能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括圖表、實物等硬件要求〕： 1說明書 ? 2圖紙：裝配圖 零件圖 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 吳必軍,吝紅軍,游亞戈,馮波,盛松偉. 振蕩型波浪能轉(zhuǎn)換裝置中兩種優(yōu)化方法研究[J]. 太陽能學(xué)報. 2010(06) [2] 勾艷芬,葉家瑋,李峰,王冬姣. 振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置模型試驗[J]. 太陽能學(xué)報. 2008(04) [3] 吳必軍,鄭永紅,游亞戈,孫曉燕,陳勇. 柱對稱雙浮子波能裝置散射問題的解析方法[J]. 海洋學(xué)報(中文版). 2004(03) [4] 蘇永玲,謝晶,葛茂泉. 振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置研究[J]. 上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報. 2003(04) [5] 錢昆,王言英. Analysis of Wave Loads on A Semi-Submersible Platform[J]. China Ocean Engineering. 2002(03) [6] 胡志敏,董艷秋,張建民. 張力腿平臺波浪載荷計算[J]. 中國海洋平臺. 2002(03) [7] 蘇永玲,游亞戈,鄭永紅. Investigation on the Oscillating Buoy Wave Power Device[J]. China Ocean Engineering. 2002(01) [8] 段文洋,戴遺山. 二維浮體大幅運(yùn)動水動力物面非線性時域解[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 1997(05) [9] 陳宏彬,李遠(yuǎn)林. 用源分布方法求解淺水中二維任意剖面在自由表面上垂蕩的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)[J]. 船舶工程. 1997(03) [10] 王言英,閻德剛. 自升式海洋平臺波浪荷載譜計算[J]. 中國海洋平臺. 1995(02) [11] 馬哲. 振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置的水動力學(xué)特性研究[D]. 中國海洋大學(xué) 2013 [12] 趙海濤. 浮力擺式波浪能裝置的水動力性能研究[D]. 浙江大學(xué) 2012 [13] 袁夢. 深海浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)的非線性時域分析[D]. 上海交通大學(xué) 2011 [14] 張海燕. Spar平臺垂蕩—縱搖耦合非線性運(yùn)動特性研究[D]. 天津大學(xué) 2008 [15] 柏威. 非線性波浪與任意三維物體的相互作用[D]. 大連理工大學(xué) 2001 [16] 楊冠聲. 張力腿平臺非線性波浪載荷和運(yùn)動響應(yīng)研究[D]. 天津大學(xué) 2003 [17] H. Fernandez, G. Iglesias, R. Carballo et al.. The new wave energy converter WaveCat: Concept and laboratory tests[J]. Marine Structures, 2012, 29(1). [18] K.K. Ahn, D.Q. Truong, Hoang Huu Tien et al.. An innovative design of wave energy converter[J]. Renewable Energy, 2011, 42. [19] K.K. Ahn, D.Q. Truong, Hoang Huu Tien et al.. An innovative design of wave energy converter[J]. Renewable Energy, 2012, 42. 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進(jìn)度計劃： 15.11.20-----15.12.20 15.12.20----16.01.15 16.01.15----16.03.18 16.03.18----16.04.08 16.04.08----16.04.30 16.05.01----16.05.10 16.05.10----16.05.15 ? ? 學(xué)生明確選題 學(xué)生完成開題報告 學(xué)生完成設(shè)計草圖階段,明確設(shè)計方案 學(xué)生完善設(shè)計正稿, 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文初稿 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計完成階段,提交畢業(yè)論文正稿,完成期中檢查 學(xué)生提交畢業(yè)設(shè)計論文,布置畢業(yè)設(shè)計展 布展、畢業(yè)答辯準(zhǔn)備 ? ? ? ? ? ? 所在專業(yè)審查意見： ?通過? 負(fù)責(zé)人： ??????????? ?2015? 年??? 12 ?月???23 ?日 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 設(shè)計（論文）題目： 單臂振蕩波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 ? 學(xué)生姓名： 專????業(yè)： 所在學(xué)院： 指導(dǎo)教師： 職????稱： ? ?年? ?月??日 ? 開題報告填寫要求 ? 1．開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的框架成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 5、開題報告（文獻(xiàn)綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。 ? 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫不少于1000字左右的文獻(xiàn)綜述： 1.1 海洋能的研究背景與意義 傳統(tǒng)的化石能源使現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)得以大規(guī)模發(fā)展，使人類從農(nóng)耕社會進(jìn)入了繁榮的工業(yè)社會，它為整個工業(yè)文明提供了源源不斷的動力，是近代人類發(fā)展不可或缺的組成部分。截至目前化石能源仍是人類社會消耗的最主要能源，全球消耗的能源中化石能源占比高達(dá)80%以上，與此同時化石能源屬于耗竭性能源，是地球演化過程中數(shù)百萬年生成的產(chǎn)物，而它們現(xiàn)在的消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生成速度。一方面，伴隨著科技發(fā)展，人類社會能源需求量也日益加大，按照這種速度，不久的將來化石能源將逐漸消耗殆盡，這是人類發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。另一方面，化石能源的使用總是伴隨著溫室氣體的排放和一些環(huán)境污染問題的產(chǎn)生，這些危害到整個人類的生存環(huán)境，不符合社會健康長久發(fā)展的基本要求。極積尋找傳統(tǒng)化石能源的替代品，開發(fā)利用新型清潔可再生能源、減少環(huán)境污染已成為世界各國的共識地球上海洋面積達(dá)到 3.61 億 km，占地球總表面積的 71%。廣闊的海洋是蘊(yùn)藏著豐富的資源，這些資源既包括海洋礦物能源也包括以潮汐、波浪、溫差、鹽差、海流等形式出現(xiàn)的“海洋能”。海水受到風(fēng)力和陽光等的作用，造成不同區(qū)域溫度、鹽度的不同，受月球等的引力作用產(chǎn)生區(qū)域海面的起伏，這些差異導(dǎo)致海洋中各種各樣的能量，海洋能量清潔并且可以再生。開發(fā)和利用這些清潔可再生能源對未來人類的發(fā)展具有重要的意義，也是人類維持自身生存發(fā)展、拓展生存空間的最切實可行的途徑之一。 21 世紀(jì)以來，眾多國家已針對各種海洋資源展開競爭，海洋科技強(qiáng)國已成為諸海洋國家的新目標(biāo)。我國處在社會主義發(fā)展階段，科學(xué)技術(shù)相對滯后于發(fā)達(dá)國家。通過不斷的開拓進(jìn)取，中國在各個科技領(lǐng)域?qū)嵙σ巡粩嗉訌?qiáng)，取得了長遠(yuǎn)的進(jìn)步，但改革開放后我國偏重于工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長、忽略了環(huán)境治理和保護(hù)。伴隨這種粗放型工業(yè)發(fā)展路線的是大量的自然資源浪費(fèi)和包括霧霾、全球氣溫升高、地下水污染等嚴(yán)重的環(huán)境問題，針對這些亟需解決的問題，我國政府加大力度倡導(dǎo)節(jié)能減排和環(huán)境友好型社會的發(fā)展形態(tài)，并著重支持對新型清潔可再生能源的開發(fā)利用，確立了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略路線。我國海域廣闊、海島眾多，擁有 490 萬平方公里的海域面積海域和 6000 余個海島，這些地區(qū)蘊(yùn)含的豐富海洋能資源將是一筆寶貴的財富，合理的加以開發(fā)利用是解決我國能源及環(huán)境問題的有效途徑之一。海洋能利用技術(shù)一般是指將海洋能轉(zhuǎn)化為人們生產(chǎn)生活可以使用的電能的技術(shù)，通過各種裝置將海洋中以動能、位能、熱能、化學(xué)能等形式出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化為電能。世界各國海洋能利用技術(shù)目前多處于發(fā)展的初始階段，所以海洋能屬于有待開發(fā)的新領(lǐng)域，據(jù)調(diào)查，這些巨量的海洋能資源中潮汐能利用技術(shù)已趨于成熟，需要進(jìn)一步商業(yè)化、規(guī)?；?，波浪能利用技術(shù)還處于試驗階段，有待更深的研究探索，溫差、鹽差能等利用技術(shù)處于原完善階段。 針對目前的狀況，我國已開始對海洋能資源研究的區(qū)域性劃分和整體規(guī)劃，國家海洋局《海洋可再生能源發(fā)展綱要（2013-2016）》中提到我國將建立三處大型海洋能試驗基地布特點和能源需求的情況科學(xué)的進(jìn)行分區(qū)和布局，各科研院校在我國沿海陸續(xù)研制開發(fā)安裝多種海洋能利用試驗裝置。這將進(jìn)一步為促進(jìn)海洋能資源開發(fā)、海洋能利用技術(shù)的領(lǐng)域研究打下基礎(chǔ)。 1.2 海洋波浪能的資源分布 海洋波浪能是一種動能形態(tài)的海洋能，它與其他海洋能相比具有分布廣泛、能流密度大的特點。據(jù)調(diào)查，全球波浪能的總儲量約為 25 億 kW，開發(fā)前景巨大。如圖 1.1 所示為全球波浪能能流密度區(qū)域分布圖，圖中可以看出世界上波浪能密度較大的區(qū)域集中于印度洋和太平洋的南部、大西洋北部，太平洋北部等地區(qū)。一般波浪能流密度達(dá)到 2kW/m時被認(rèn)為可以加以利用，圖中可知全球大部分海洋區(qū)域的屬于可利用的范圍 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析 點吸收式波浪能發(fā)電裝置也稱為振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，原理是通過海面漂浮的振蕩浮子來吸收海洋波浪的能量，并通過一定的轉(zhuǎn)換方式來將這些能量轉(zhuǎn)化為電能，點吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)采集波浪能的效率較高，制造也相對容易，成本也較低，適合波浪能能流密度較低的國家，上一節(jié)中提及我國波浪能量密度普遍偏小，所以點吸收式波浪能發(fā)電裝置適合在我國進(jìn)行研究和推廣 1.3.1 早期波浪能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展 世界上各海洋國家一直都非常重視海洋波浪能領(lǐng)域的探索和研究，最早的波浪能領(lǐng)域發(fā)明專利可以上溯到 1799 年，1911 年，法國研制了世界上第一臺海洋波浪能發(fā)電裝置。在 20 世紀(jì) 60 年代，日本首次將波浪能利用裝置商用，研制了供航標(biāo)電能的波浪能裝置。截至 2010 年波浪能利用技術(shù)的專利已超過 4000 多項，全球范圍內(nèi)各海洋國家都在積極進(jìn)行波浪能發(fā)電技術(shù)方面的研究，通過一系列的理論計算和數(shù)值模擬來進(jìn)行前期的優(yōu)化設(shè)計，并已在實海況中運(yùn)行多種波浪能發(fā)電裝置樣機(jī)，檢驗裝置的穩(wěn)定性和可靠性。歐洲沿海地區(qū)波浪能資源豐富，所以相關(guān)研究的發(fā)展較突出，其他區(qū)域也在進(jìn)行該領(lǐng)域的積極探索。截至目前已有多種波浪能發(fā)電裝置投入到海洋中運(yùn)行和實驗。我國于 20 世紀(jì) 70 年代開始研究波浪能發(fā)電技術(shù)，中國科學(xué)院廣州能研究所在“七五”期間建造了我國首座波浪能發(fā)電站。在“九五”期間國家海洋技術(shù)研究所在山東省大管島建成我國第一座擺式波浪發(fā)電站，它采用機(jī)械擺板擺動來收集混凝土澆筑的喇叭形收縮水道中波浪的能量，內(nèi)部通過液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，設(shè)計發(fā)電功率達(dá)到 30kW。 1.3.2 波浪能發(fā)電裝置的分類方法 依據(jù)位于蘇格蘭奧克尼群島的歐洲海洋能源中心（世界上第一個海洋能源中心）的分類方法，將波浪能發(fā)電裝置一次轉(zhuǎn)換、中間轉(zhuǎn)換和二次轉(zhuǎn)換進(jìn)行分類。一級轉(zhuǎn)換部分采集海洋波浪中具有的能量，通過如浮體、擺板等結(jié)構(gòu)將波浪的動能轉(zhuǎn)換為、；中間轉(zhuǎn)換部分為輔助波浪能的繼續(xù)轉(zhuǎn)換，使采集的波浪能量便于發(fā)電機(jī)使用，二次轉(zhuǎn)換通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能為波浪能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換流程圖，圖中可以看出，一級轉(zhuǎn)換部分在于通過振蕩浮子、擺板等不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的構(gòu)件來采集波浪能量，需要研究海洋波浪的變化規(guī)律和特點來改進(jìn)這些構(gòu)件的物理參數(shù)達(dá)到波浪能量的有效轉(zhuǎn)換。中間轉(zhuǎn)換部分在于通過齒輪箱、液壓結(jié)構(gòu)、慣性輪等構(gòu)件將一級轉(zhuǎn)換部分已經(jīng)轉(zhuǎn)換的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為連續(xù)的、穩(wěn)定的可供發(fā)電機(jī)使用的機(jī)械能量，二級轉(zhuǎn)換主要通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換至電能，目前一般通過傳統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)或直流發(fā)電機(jī)來轉(zhuǎn)換上述能量，也有相關(guān)裝置應(yīng)用了直線電機(jī)等新技術(shù)。波浪能發(fā)電技術(shù)的重點研究對象包括一次轉(zhuǎn)換部分、中間轉(zhuǎn)換部分的機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也包括二次轉(zhuǎn)換后發(fā)電機(jī)發(fā)電的并網(wǎng)與調(diào)配等問題。 按一次轉(zhuǎn)換中的采集波浪能的方式不同可以分為振蕩水柱式、筏式、越浪式、點吸收（振蕩浮子）式、擺式，鴨式等幾種形式，還包括應(yīng)用了金屬磁流體技術(shù)的波浪能發(fā)電裝置。按裝置固定與否可以分為固定式和漂浮式，按裝置二次轉(zhuǎn)換部分的不同機(jī)械原理可以分為氣動式、液壓式和齒輪式。一種典型波浪能發(fā)電裝置的原理示意圖，裝置包括浮體、繩索、直線電機(jī)、錨系系統(tǒng)，當(dāng)浮體附近波浪起伏運(yùn)動時，振蕩浮子的上下運(yùn)動帶動繩索另一端直線電機(jī)的動子運(yùn)動產(chǎn)生電能，直線電機(jī)位于密封機(jī)箱內(nèi)，防止海水的進(jìn)入。 1.3.3 波浪能發(fā)電技術(shù)的理論研究 由于點吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)尺寸可變性大的優(yōu)勢，目前相關(guān)裝置目前理論研究和設(shè)計研發(fā)發(fā)展很快，研究主要集中于裝置的波浪水動力性能分析、置控制策略如相位控制、反饋調(diào)節(jié)控制等，通過改變設(shè)計參數(shù)優(yōu)化裝置發(fā)電效率、提高裝置安全性能，應(yīng)用新型壓電材料的發(fā)電也已成為重要方向，本文主要涉及裝置的水動力學(xué)分析，所以側(cè)重介紹這方面的研究狀況。早在 1981 年，Thomas 等人就總結(jié)了波浪能裝置在波浪流場中的基本特征，對波浪中浮體間的相互影響進(jìn)行了研究，F(xiàn)alcao 在 2002 年基于線性波浪假設(shè)，對點吸收式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了水動力分析，研究了裝置腔體的幾何形狀和入射波的角度對裝置整體效率的影響。Hals 在 2007 年通過建立一種頻域和時域混合模型來分析雙浮體波浪能發(fā)電裝置的水動力響應(yīng)特性，研究相位控制法提高裝置能量轉(zhuǎn)換效率的問題，BaBarit 在 2012 年在研究分析中通過在無粘性流體動力學(xué)方程中添加二次阻尼項來考慮流體粘性阻尼對分析的影響。國內(nèi)包括相關(guān)研究所和院校也進(jìn)行了很多研究，劉應(yīng)中等在 1987 年利用線性三位源匯法分析了在某一水深規(guī)則波浪下船駁組合體的運(yùn)動響應(yīng)問題，中國科學(xué)院廣州能源研究所盛松偉等于 2013 年進(jìn)行了一種點吸收式波浪能裝置的水動力分析，對規(guī)則波浪中裝置浮體的外部阻尼力和激勵力進(jìn)行了理論演算和裝置的優(yōu)化設(shè)計。中國海洋大學(xué)的馬哲于 2013年考慮振蕩浮子運(yùn)動受負(fù)載影響而對振蕩浮子施加外界阻尼下的波浪水動力響應(yīng)問題進(jìn)行了分析，并針對不同物理特性的振蕩浮子的響應(yīng)運(yùn)動特性進(jìn)行討論. 1.3.4 波浪能發(fā)電技術(shù)的試驗研究 近年來，點吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展較快，有很多點吸收式波浪能發(fā)電裝置已進(jìn)行模型樣機(jī)的水槽實驗，部分已投入實海況試驗和小規(guī)模運(yùn)行。如圖 1.6 所示為英國 AWS Ocean Energy 公司研發(fā) Archimedes Wave Swing 裝置在 2010 年于蘇格蘭附近海域建立的試驗實物和原理示意圖，它的原理是通過圓柱形浮筒，浮筒由于波浪的作用而起伏運(yùn)動時，浮筒內(nèi)通過纜繩錨系直線電機(jī)的機(jī)芯部分并不隨浮筒一起運(yùn)動，從而通過直線電機(jī)的機(jī)芯往復(fù)運(yùn)動發(fā)電我國波浪能利用技術(shù)具有起步晚、發(fā)展速度快、開發(fā)規(guī)模較小的特點，相關(guān)圖 1.7 為中國科學(xué)院廣州能源研究所研制的點吸收式直線發(fā)電試驗裝置 2011 年底在廣州大萬山島海域運(yùn)行時的情況及其原理示意圖，它的裝機(jī)容量是 10KW，波浪作用下，與水下阻尼板固定連接的直線電機(jī)動子和與振蕩浮子固定連接的直線電機(jī)定子產(chǎn)生相對運(yùn)動而發(fā)電如圖 1.8 和圖 1.9 所示集美大學(xué)海洋能利用團(tuán)隊研發(fā)的海洋能利用綜合試驗平臺，平臺通過位于主體兩側(cè)的振蕩浮子列和擺板采集波浪能，通過垂直軸風(fēng)機(jī)采集海洋風(fēng)能，當(dāng)波浪朝某一方向傳遞時，平臺受水力作用會繞前端錨系浮筒轉(zhuǎn)動，使平臺主“船體面向來波方向，從而更好的吸收波浪能，當(dāng)波浪傳遞至平臺主體時兩側(cè)振蕩浮子列因波浪不同區(qū)域水浮力作用的不同與主體產(chǎn)生相對運(yùn)動，這些機(jī)械能被齒輪箱等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能后供艙內(nèi)發(fā)電機(jī)利用。 ? 參考文獻(xiàn) [1] 游亞戈，李偉，劉偉民，等.海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(14)：1-12. 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Renewable Energy，2012，41：44-63. 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告 2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 本課題要研究或解決的問題： 國內(nèi)外通過研究海洋波浪能的特點，已提出了多種不同的波浪能發(fā)電裝置，這些裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理各異，轉(zhuǎn)換效率高低不一，大部分處于理論或者初步設(shè)計階段。由于海洋波浪能利用技術(shù)較新，針對相關(guān)裝置的優(yōu)化設(shè)計還比較少，進(jìn)行相關(guān)研究工作對裝置的優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。在點吸收式波浪能發(fā)電技術(shù)方面：以往多采用單振蕩浮子采集波浪能的方式，或者多個單臂振蕩波波浪能裝置在二次轉(zhuǎn)換以后再進(jìn)行電力調(diào)配和并網(wǎng)，對多點陣列的點吸收式波浪能發(fā)電裝置的研究較少，相關(guān)振蕩浮子陣列中振蕩浮子間運(yùn)動的相互影響也較少 第一章簡述了海洋能資源背景和國內(nèi)外海洋波浪能發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了幾種典型的波浪能發(fā)電裝置的技術(shù)原理。并對與本文提及的單臂振蕩波波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了調(diào)查和分析。 第二章介紹了單臂振蕩波波浪能發(fā)電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理. 第三章對單臂振蕩波波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 擬采用的研究手段（途徑）： 模型實驗臺主要由采能振蕩浮子、傳動連桿、單向軸承、傳動軸、 行星增速齒輪箱、扭矩傳感器、發(fā)電機(jī)、結(jié)構(gòu)支架、機(jī)箱等組成，局部設(shè)計示意圖如圖1所示。 如圖1所示為模型實驗臺的機(jī)械原理示意圖，圖中球形振蕩浮子通過活動扣件與連桿相連，連桿另一端通過螺絲與單向軸承固定，超越離合器只能帶動轉(zhuǎn)軸做單向旋轉(zhuǎn)，兩轉(zhuǎn)軸間通過齒輪相互連接，其中的轉(zhuǎn)軸 1 通過聯(lián)軸器與扭矩余轉(zhuǎn)速傳感器連接，從而可以通過傳感器測出振蕩浮子在波浪中運(yùn)動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。機(jī)箱內(nèi)增速齒輪箱的輸出軸通過橡膠傳動輪與直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)左側(cè)振蕩浮子因為波浪的作用做向上擺動時通過連桿帶動單向軸承旋轉(zhuǎn)，單向軸承此時鎖死所以帶動轉(zhuǎn)軸 2 做順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)振蕩浮子因重力作用向下擺動時，單向軸承解鎖，并不帶動轉(zhuǎn)軸 2 旋轉(zhuǎn)，當(dāng)右側(cè)振蕩浮子因為波浪作用向上擺動時通過連桿和鎖死對的單向軸承帶動轉(zhuǎn)軸 1 逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，與轉(zhuǎn)軸2 鍵連接的齒輪和安裝在轉(zhuǎn)軸 1 上的齒輪嚙合，從而帶動轉(zhuǎn)軸 1 逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)右側(cè)振蕩浮子向下擺動時同理不會帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸 1 將這種間斷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過行星增速齒輪箱將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)電。 ? 圖1 結(jié)構(gòu)圖 圖2 原理圖 ? 驗造波水槽采用淡水，多點陣列式波浪能發(fā)電裝置位于海中，需要進(jìn)行水密度修正。 根據(jù)幾何相似和上述相似準(zhǔn)則可得主要物理量的比例尺。 由于裝置設(shè)計與模型間的幾何相似性可得確定幾何比尺，表 5.2 中因為連桿初始位置為傾斜狀態(tài)，通過原裝置設(shè)計的尺寸通過連桿在水平面的投影得到，所以這里沿用連桿的投影長度。振蕩浮子直徑、振蕩浮子吃水、連桿長度分別選用幾種尺寸，用于為驗設(shè)置對比組。由于模型實驗環(huán)境條件的限制，實驗臺將采用齒輪結(jié)構(gòu)和連桿結(jié)構(gòu)來構(gòu)建中間轉(zhuǎn)換部分，主要分析一次轉(zhuǎn)換部分振蕩浮子的運(yùn)動響應(yīng)特性。驗臺的設(shè)計圖紙和實物，裝置通過支架位于造波水槽的上方，并為行星增速齒輪箱部分、電機(jī)部分搭鋼制作的套傳動比為 1值，便于實論文搭建了一個套殼內(nèi)，1:35。中設(shè)計了波水槽中的箱，裝置的件不被水濺了在最大波的布置和安驗臺的初步設(shè)多點陣列式活動零件，濕造成銹蝕高下振蕩浮放。設(shè)計圖和具體式波浪能發(fā)電包括兩根蝕和故障，浮子帶動連體設(shè)計圖紙 電裝置水動力根轉(zhuǎn)軸和單向其中行星變連桿運(yùn)動的角力分析與優(yōu)化向軸承都位變速齒輪箱角度最大值。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 該生通過大量搜集和查閱文獻(xiàn)資料，對與 板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場 / 連鑄中間 包控流裝置 相關(guān)的國內(nèi)外前人工作較好地進(jìn)行了綜合分析和歸納整理， 并針對某 一學(xué)者具體的研究工作進(jìn)行了比較專門的、 全面的、 深入的和系統(tǒng)的描述與評價， 語言簡潔，層次清楚。達(dá)到了學(xué)?！拔墨I(xiàn)綜述要求” 。 該生通過大量搜集和查閱文獻(xiàn)資料，對與 板坯結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場 / 連鑄中間 包控流裝置 相關(guān)的國內(nèi)外前人工作較好地進(jìn)行了綜合分析和歸納整理， 并針對某 一學(xué)者具體的研究工作進(jìn)行了比較專門的、 全面的、 深入的和系統(tǒng)的描述與評價， 語言簡潔，層次清楚。達(dá)到了學(xué)?！拔墨I(xiàn)綜述要求” 該生通過大量搜集和查閱文獻(xiàn)資料，對本課題相關(guān)的國內(nèi)外前人工作較好地進(jìn)行了綜合分析和歸納整理，并針對某一學(xué)者具體的研究工作進(jìn)行了比較專門的、全面的、深入的和系統(tǒng)的描述與評價，語言簡潔，層次清楚。達(dá)到了學(xué)校“文獻(xiàn)綜述要求”。 ? ? ? ? 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測： 預(yù)期可完成 ? ? ? ? 3.是否同意開題：√ 同意 □ 不同意 ? ???????????????????????????????????? ??指導(dǎo)教師：?????????????? ???????????????????????????????????????? 2016 年?? 03 月?? 07 日 所在專業(yè)審查意見： 同意 ???????????????????????????????????????? 負(fù)責(zé)人：?????????????? ?????????????????????????????????????????? 2016 年??? 03 月?? 08 日 1. 前言 1.1. 研究背景. 1.2. 海洋能概述和開發(fā)利用現(xiàn)狀 1.3. 國內(nèi)外波浪能開發(fā)利用情況 1.2. 波浪能發(fā)電裝置現(xiàn)狀 1.2.1. 國外研究現(xiàn)狀 1.2.2. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1.3 本文研究內(nèi)容. 1.3.1. 課題來源 1.3.2. 本文工作要點. 1.3.3. 本文擬解決的主要技術(shù)問題 2. 單臂振蕩波能發(fā)電裝置發(fā)電裝置方案設(shè)計 2.1 概述 2.2 方案設(shè)計 2.3 方案確定 2.5 本章小結(jié) 3. 單臂振蕩波能發(fā)電裝置的受力與分析計算 3.1. 發(fā)電裝置簡介. 3.1.1. 裝置介紹 3.1.2. 裝置前期研究 3.2. 理論分析基礎(chǔ)與模型建立、分析 3.2.4.3.模型的建立 3.3.漂浮系統(tǒng)的受力和運(yùn)動計算 3.3.1.裝置工作環(huán)境條件 3.3.2.風(fēng)荷載計算 3.3.3.海流荷載計算 3.3.4.波浪荷載計算 3.3.5.漂浮系統(tǒng)的運(yùn)動計算 3.4 主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3.4.1采能振蕩浮子 3.4.2采能振蕩浮子 3.4.2傳動連桿 3.4.3單向軸承 3.4.4傳動軸 3.4.5行星增速齒輪箱 3.4.6扭矩傳感器 3.4.7發(fā)電機(jī) 3.4.8結(jié)構(gòu)支架 3.4.9機(jī)箱 總結(jié)與展望 參考文獻(xiàn) 致謝 Self-Excitation and Harmonics in Wind Power Generation E. Muljadi ， C. P. Butterfield National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado 80401 H. Romanowitz Oak Creek Energy Systems Inc.,Mojave, California 93501 R. Yinger Southern California Edison,Rosemead, California 91770 Traditional wind turbines are commonly equipped with induction generators because they are inexpensive, rugged, and require very little maintenance. Unfortunately, induction generators require reactive power from the grid to operate，capacitor compensation is often used. Because the level of required reactive power varies with the output power, the capacitor compensation must be adjusted as the output power varies. The interactions among the wind turbine, the power network, and the capacitor compensation are important aspects of wind generation that may result in self-excitation and higher harmonic content in the output current. This paper examines the factors that control these phenomena and gives some guidelines on how they can be controlled or eliminated. 1．Introduction Many of today’s operating wind turbines have fixed speed induction generators that are very reliable, rugged, and low cost. During normal operation, an induction machine requires reactive power from the grid at all times. The most commonly used reactive power compensation is capacitor compensation. It is static, low cost. Different sizes of capacitors are generally needed for different levels of generation. Although reactive power compensation can be beneficial to the overall operation of wind turbines, we should be sure the compensation is the proper size and provides proper control. Two important aspects of capacitor compensation, self-excitation and harmonics ,are the subjects of this paper. 2．Power System Network Description A diagram representing this system is shown in Fig(1). The power system components analyzed include the following: ? An infinite bus and a long line connecting the wind turbine to the substation ? A transformer at the pad mount ? Capacitors connected in the low voltage side of the transformer ? An induction generator For the self-excitation, we focus on the turbine and the capacitor compensation only the right half of Fig. For harmonic analysis, we consider the entire network shown in Fig. 3. Self-Excitation 3.1 The Nature of Self-Excitation in an Induction Generator. Self-excitation is a result of the interactions among the induction generator, capacitor compensation, electrical load, and magnetic saturation. This section investigates the self-excitation process in an off-grid induction generator, knowing the limits and the boundaries of self-excitation operation will help us to either utilize or to avoid self-excitation. Fixed capacitors are the most commonly used method of reactive power compensation in a fixed-speed wind turbine. An induction generator alone cannot generate its own reactive power; it requires reactive power from the grid to operate normally, and the grid dictates the voltage and frequency of the induction generator. One potential problem arising from self-excitation is the safety aspect. Because the generator is still generating voltage, it may compromise the safety of the personnel inspecting or repairing the line or generator. Another potential problem is that the generator’s operating voltage and frequency may vary. Thus, if sensitive equipment is connected to the generator during self-excitation, that equipment may be damaged by over/under voltage and over/ under frequency operation. In spite of the disadvantages of operating the induction generator in self-excitation, some people use this mode for dynamic braking to help control the rotor speed during an emergency such as a grid loss condition. With the proper choice of capacitance and resistor load, self-excitation can be used to maintain the wind turbine at a safe operating speed during grid loss and mechanical brake malfunctions。 3.2 Steady-State Representation. The steady-state analysis is important to understand the conditions required to sustain or to diminish self-excitation. As explained above, self-excitation can be a good thing or a bad thing, depending on how we encounter the situation. Figure 2 shows an equivalent circuit of a capacitor compensated induction generator. As mentioned above, self-excitation operation requires that the balance of both real and reactive power must be maintained. Equation （1）gives the total admittance of the system shown in Fig(2): ++=0 （1） where = effective admittance representing the stator winding, the capacitor, and the load seen by node M = effective admittance representing the magnetizing branch as seen by node M,referred to the stator side = effective admittance representing the rotor winding as seen by node M, referred to the stator side Equation 1 can be expanded into the equations for imaginary and real parts as shown in Eqs.2and3: （2） Fig. 2 Per phase equivalent circuit of an induction generator under self-excitation mode Fig.3 A typical magnetization characteristic = stator winding resistance = stator winding leakage inductance = rotor winding resistance = rotor winding leakage inductance = stator winding resistance S = operating slip = operating frequency = load resistance connected to the terminals C = capacitor compensation =阻抗 One important aspect of self-excitation is the magnetizing characteristic of the induction generator. Figure 3 shows the relationship between the flux linkage and the magnetizing inductance for a typical generator; an increase in the flux linkage beyond a certain level reduces the effective magnetizing inductance . This graph can be derived from the experimentally determined no-load characteristic of the induction generator. The voltage at the terminals of the induction generator presented in Fig . （5） shows the impact of changes in the capacitance and load resistance. As shown in Fig. （5）, the load resistance does not affect the terminal voltage, especially at the higher rpm （higher frequency）, but the capacitance has a significant impact on the voltage profile at the generator terminals. A larger capacitance yields less voltage variation with rotor speed, while a smaller capacitance yields m ore voltage variation with rotor speed. As shown in Fig. 6, for a given capacitance, changing the effective value of the load resistance can modulate the torque-speed characteristic. These concepts of self-excitation can be exploited to provide dynamic braking for a wind turbine as mentioned above to prevent the turbine from running away when it loses its connection to the grid; one simply needs to choose the correct values for capacitance （a high value） and load resistance to match the turbine power output. Appropriate operation over a range of wind speeds can be achieved by incorporating a variable resistance and adjusting it depending on wind speed. 3.3 Dynamic Behavior. This section examines the transient behavior in self-excitation operation. We choose a value of 3.8 mF capacitance and a load resistance of 1.0 for this simulation. The constant driving torque is set to be 4500 Nm. Note that the wind turbine aerodynamic characteristic and the turbine control system are not included in this simulation because we are more interested in the self-excitation process itself. Thus, we focus on the electrical side of the equations. Figure 7 shows time series of the rotor speed and the electrical output power. In this case, the induction generator starts from rest. The speed increases until it reaches its rated speed. It is initially connected to the grid and at t=3.1 seconds （s）, the grid is disconnected and the induction generator enters self-excitation mode. At t=6.375 s, the generator is reconnected to the grid, terminating the self-excitation. The rotor speed increases slightly during self-excitation, but, eventually, the generator torque matches the driving torque （4500 Nm）, and the rotor speed is stabilized. When the generator is reconnected to the grid without synchronization, there is a sudden brief transient in the torque as the generator resynchronizes with the grid. Once this occurs, the rotor speed settles at the same speed as before the grid disconnection. Figure 8 (a) plots per phase stator voltage. It shows that the stator voltage is originally the same as the voltage of the grid to which it is connected. During the self-excitation mode 3.1 s0,Q>0. (c) Phasor diagram for P>0,Q <0. From Fig. 10, we can say that the circuit will resonate at different frequencies as the capacitor C is varied. Two harmonic components must exist to generate harmonics currents in the systems—a harmonic source (due to magnetic saturation as shown in Fig. 3) and a circuit that will resonate at certain levels of capacitance compensation. 4.3 Dynamic Simulation. Now consider how the harmonic sources are generated in the transformer. Most utility-size wind turbines are equipped with a pad-mount step-up transformer that connects them to the utility. When the transformer is saturated, the nonlinear characteristic of the magnetic circuit generates a nonsinusoidal current. Figure 11(a) shows the per-phase equivalent circuit of a transformer. The iron core loss of a transformer is usually represented as an equivalent resistance,, in parallel with the magnetizing reactance . In this study, the core loss is small enough to be neglected (i.e., the value of = represents an open circuit; thus, the equivalent resistance is not drawn in the equivalent circuit). The magnetizing flux linkage is proportional to the ratio of the voltage and the frequency: where = the magnetizing voltage = flux linkage = the base frequency = 磁化的電壓 The flux linkage of the transformer can be found from Eq.(7). The relationship between the flux linkage and the magnetizing inductance due to the magnetizing current is nonlinear. When the magnetizing current is low, the flux (and flux linkage) varies linearly with the magnetizing current, but eventually saturation is reached and the nonlinear characteristic starts; further increases in magnetizing current will produce smaller increases in the flux linkage. In the saturation region, the resulting output current will be nonsinusoidal , as shown in Fig. 12, due to the nonlinearity of the magnetizing inductance. Fig. 12 The output voltage and current of a transformer under light load condition There are two types of operation that can cause saturation. The first one occurs when the transformer operates at a higher voltage level. One example of this operation is when the transformer is lightly loaded. As a result, the magnetizing branch is exposed to a high voltage , producing a large magnetizing current in the magnetizing branch. The second type of operation that can result in high saturation is when the transformer is operated with a leading power factor (supplying reactive power to the grid Vs). The voltage across the magnetizing reactance (referred to the primary side) can be expressed as where =+ j= line impedance connecting the transformer to the voltage source VS = + j = primary winding impedance of the transformer == = resistance of the primary and secondary winding of the transformer == = leakage reactance of the primary and secondary winding of the transformer = voltage at the infinite bus = current flowing in the primary winding = reactance of the line = line resistance As an illustration, we can use the phasor diagrams shown in Figs. 11(b) and 11(c). For the case of simplicity in the phasor diagram illustrations, we can simplify the equivalent circuit shown in Fig. 11(a) as an ideal transformer with only its leakage reactance represented. In Fig. 11(a), the real power P and reactive power Q are considered to be flowing from the right to the left (positive values flow from the turbine to the grid). When P >0, Q<0 (the turbine generates real power but absorbs reactive power), then < , and we have normal operation. On the other hand, when P>0, Q>0 (the turbine generates both real and reactive power), then < and we may experience saturation. 22