面向海洋机器人的浮子式波浪能发电装置研究

论文摘要

本文以国家自然科学基金项目“基于波浪能的海洋机器人混合推进机构及其机理研究”为基础,针对海洋机器人“长航时、大航程”的航行目标,在对国内外现有的波浪能发电装置分析对比的基础上,提出了面向微小海洋机器人的浮子式波浪能发电装置。该装置的主要功能是为微小型海洋机器人中的电路系统供电。将其分解为波浪能俘获装置、波浪能转换装置、电能存储装置,按照装置设计、原理分析、数学模型、虚拟试验和样机研制的步骤,主要开展对该装置的波浪能俘获和转换部分的研究和分析。全文的研究工作主要包括如下:1)在回顾国内外典型的波浪能发电装置研究成果的基础上,比较了多种装置,对其优缺点进行了阐述,结合课题实际需要提出了可以用于海洋机器人的浮子式波浪能发电装置,并对该装置的工作原理进行了分析和论述。2)针对本文提出的浮子式波浪能发电装置,开展了比较详细的力学建模分析,推导出了波浪周期内其俘获宽度比和发电功率的计算公式,并且通过计算详细分析了各个变量对俘获宽度比和发电功率的影响,为装置如何在不同海况下尽可能大地获取波浪能转换功率和效率提出办法。3)对理论推导的运动模型在动力学软件RecurDyn中进行仿真,对应于理论计算部分,设计了七组变量对波浪能俘获功率影响的虚拟试验。最后将仿真试验结果和理论分析结果进行对比,验证了理论分析的正确性及虚拟试验的可信度。4)设计了波浪能转换装置的样机模型,测量了其能量转化效率,分析了该样机效率较低的原因,为今后开展实物设计提供借鉴。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景及意义
• 1.2 波浪能发电装置的研究现状
• 1.2.1 波浪能发电装置的分类
• 1.2.2 浮子式波浪能发电装置的研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 浮子式波浪能发电装置工作原理
• 2.1 线性波理论
• 2.1.1 线性波浪的主要要素
• 2.1.2 波浪能输入功率
• 2.2 浮子式波浪能发电装置
• 2.2.1 浮子式波浪能发电装置结构
• 2.2.2 浮子式波浪能发电装置的工作原理
• 2.3 浮子式波浪能发电装置的特点
• 2.4 本章小结
• 第三章 浮子式波浪能发电装置的能量转换效率分析
• 3.1 浮子的动力学建模
• 3.1.1 F-K 假定法求波浪力
• 3.1.2 浮子的受力分析
• 3.1.3 浮子的附加质量
• 3.1.4 装置的俘获宽度比和获得功率的分析与计算
• 3.2 波浪能转换装置的能量转换效率分析
• 3.2.1 海洋机器人动力学分析
• 3.2.2 波浪能转换装置的转换效率分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 浮子式波浪能发电装置的虚拟仿真试验
• 4.1 海况条件变化时的虚拟试验
• 4.1.1 波浪周期变化
• 4.1.2 波浪高度变化
• 4.1.3 水深变化
• 4.2 浮子条件变化时的虚拟试验
• 4.2.1 浮子质量变化
• 4.2.2 浮子半径变化
• 4.3 波浪能转换装置条件变化时的虚拟试验
• 4.3.1 弹性系数变化
• 4.3.2 阻尼系数变化
• 4.4 本章小结
• 第五章 波浪能转换装置原理样机设计与试验
• 5.1 波浪能转换装置原理样机设计
• 5.1.1 蜗簧的选取和参数设计
• 5.1.2 加速装置参数设计
• 5.1.3 交流发电机的选取
• 5.2 波浪能转换装置原理样机的效率测试
• 5.2.1 波浪能转换装置原理样机效率测量装置
• 5.2.2 波浪能转换装置原理样机效率测量试验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 第一组效率测量采集数据
• 附录B 第二组效率测量采集数据
• 附录C 第三组效率测量采集数据