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畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
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設計（論文）題目：
點頭鴨波浪能結構設計
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學生姓名：
陸加俊
學??號：
1204201033
專????業(yè)：
機械設計制造及其自動化
所在學院：
機電工程學院
指導教師：
姜勁
職????稱：
高工
發(fā)任務書日期：年月日
任務書填寫要求
1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學生所在專業(yè)的負責人審查、系（院）領導簽字后生效。此任務書應在畢業(yè)設計（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學生。
2．任務書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫，不得涂改或潦草書寫；或者按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(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．任務書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經(jīng)過所在專業(yè)及系（院）主管領導審批后方可重新填寫。
4．任務書內(nèi)有關“學院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號，不能只寫最后2位或1位數(shù)字。
5．任務書內(nèi)“主要參考文獻”的填寫，應按照《金陵科技學院本科畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范》的要求書寫。
?6．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標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，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2002年4月2日”或“2002-04-02”。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：
?
本課題屬于教師自主命題，來源于工程實踐。
目的：
1、通過本課題的設計研究，考察學生四年來在校所學的專業(yè)知識水平及運用專業(yè)知識解決設計項目的創(chuàng)新能力；
2、通過本課題的研究使學生系統(tǒng)的熟悉機械設計分析及掌握相關的設計手法。
3、通過本課題使學生熟練掌握制圖方法、規(guī)范設計圖紙畫法以及提高使用設計軟件解決應用問題的能力。
2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：
?
內(nèi)容：
以“點頭鴨”為波能采集器的波浪發(fā)電裝置，所述的“點頭鴨”為波能采集器的波浪發(fā)電裝置，具有一垂直于來波方向安裝的轉動軸，裝置的橫截面輪廓呈鴨蛋形，其特征是采用“點頭鴨”為波能采集器。本實用新型若能大力推廣，有望實現(xiàn)波能發(fā)電的實用化，產(chǎn)業(yè)化。
本課題技術要求：
1、?創(chuàng)造性：該裝置以“點頭鴨”為波能采集器的波浪發(fā)電裝置，應具有較好的內(nèi)部結構的設計，注重設計思考與設計表達的統(tǒng)一。
2、主題性:以海洋能源為主題，比較新穎。
3、?功能性:在波浪發(fā)電中，能夠廣泛應用
本報課題研究的工作要求：
要明確的知道波浪能發(fā)電的工作原理，進一步進行內(nèi)部結構的設計
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
3．對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求〔包括圖表、實物等硬件要求〕：
1、設計圖紙：裝配圖，零件圖，剖視圖
2、設計說明：說明書
3、PPT
4．主要參考文獻：
[1] 竺艷蓉編著.海洋工程波浪力學[M]. 天津大學出版社, 1991
[2] 文圣常,余宙文 編著.海浪理論與計算原理[M]. 科學出版社, 1984
[3] 楊叔子[等]編著.機械工程控制基礎[M]. 華中科技大學出版社, 2005
[4] 許肖梅編著.海洋技術概論[M]. 科學出版社, 2000
[5] 邱大洪著.波浪理論及其在工程上的應用[M]. 高等教育出版社, 1985
[6] 龍遐令著.直線感應電動機的理論和電磁設計方法[M]. 科學出版社, 2006
[7] 葉云岳編著.直線電機原理與應用[M]. 機械工業(yè)出版社, 2000
[8] 楊曉輝主編.簡明機械實用手冊[M]. 科學出版社, 2006
[9] 吳宗澤主編.機械設計實用手冊[M]. 化學工業(yè)出版社, 2003
[10] 文圣常,余宙文 編著.海浪理論與計算原理[M]. 科學出版社, 1984
[11] 徐德鴻編著.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M]. 機械工業(yè)出版社, 2006
[12] 張衛(wèi)平編著.開關變換器的建模與控制[M]. 中國電力出版社, 2006
[13] 張占松,蔡宣三編著.開關電源的原理與設計[M]. 電子工業(yè)出版社, 2004
[14] 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 機械工業(yè)出版社, 2003
[15] 張崇巍,張興編著.PWM整流器及其控制[M]. 機械工業(yè)出版社, 2003
[16] 王勖成編著.有限單元法[M]. 清華大學出版社, 2003
[17] Ji-Sheng Zhang,Jun Wang,Ai-Feng Tao,Jin-Hai Zheng,Hui Li,Luigi Cappelli. New Concept for Assessment of Tidal Current Energy in Jiangsu Coast, China[J]. Advances in Mechanical Engineering . 2013
[18] Shujie Wang,Peng Yuan,Dong Li,Yuhe Jiao. An overview of ocean renewable energy in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews . 2010 (1)
[19] Junqiang Xia,Roger A. Falconer,Binliang Lin. Impact of different tidal renewable energy projects on the hydrodynamic processes in the Severn Estuary, UK[J]. Ocean Modelling . 2009 (1)
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：
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
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學生明確選題
學生完成開題報告
學生完成設計草圖階段,明確設計方案
學生完善設計正稿, 撰寫畢業(yè)設計論文初稿
學生畢業(yè)設計完成階段,提交畢業(yè)論文正稿,完成期中檢查
學生提交畢業(yè)設計論文,布置畢業(yè)設計展
布展、畢業(yè)答辯準備
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所在專業(yè)審查意見：
?通過?
負責人： ??????????? ?2015? 年??? 12 ?月???23 ?日
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
設計(論文)題目： 點頭鴨波浪能結構設計
學生姓名： 學 號：
專 業(yè)：
所在學院：
指導教師：
職 稱：
年 月 日
開題報告填寫要求
1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導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處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應按論文的框架成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標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，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
5.開題報告（文獻綜述）字體請按宋體、小四號書寫，行間距1.5倍。
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫不少于1000字的文獻綜述：
1.l課題研究背景
能源是經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,人類的發(fā)展是伴隨著優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進能源技術的使用而進行。然而,在過去的幾十年中,為了短期的經(jīng)濟效益,人類對于諸如石油、煤等傳統(tǒng)能源的開發(fā),幾近瘋狂的地步,使有限的傳統(tǒng)能源資源日益枯竭。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒2011)}的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明`,世界能源需求主要依靠石油、煤炭、天然氣、水電、核電、可再生能源等六個方面的供應,石油、煤炭、天然氣是世界能源結構的主要組成部分,2010年它們占全球能源消費的比例分別是:33.6%、29-6%和23.3%?？梢?石油仍然是全球最大的能源來源,但是傳統(tǒng)能源的儲量并不足以讓人類樂觀的面對未來的能源需求,以石油為例,按目前的年開采量,2010年年底探明的石油儲量還可供開采46.2年。然而,隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展,人類社會對于能源的需求量會日益增大,傳統(tǒng)能源儲量卻是在日益減少的,兩者之間的矛盾越來越激烈?！禕P世界能源統(tǒng)計年鑒2011》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,2010年,能源消費總量輕松超越了2008年經(jīng)濟衰退前所達到的峰值。2011年能源消費增長比例為5-6%,達到1973年以來的最高漲幅。各類能源消費和各地區(qū)能源消費都增長強勁。新興經(jīng)濟體的能源消費繼續(xù)快速增長,經(jīng)合組織國家的能源消費增幅也遠高于平均水平。數(shù)據(jù)同時表明,去年全球化石燃料消費產(chǎn)生的二氧化碳排放量也出現(xiàn)大幅增長,隨之而來的環(huán)境問題也越來越嚴重,以致開始危及人類的生存和發(fā)展`。
在能源危機和環(huán)境問題的雙重壓力下,人類采取了制定《京都議定書》、《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等一系列措施來節(jié)制由于傳統(tǒng)能源的不合理利用而造成的環(huán)境危害,同時隨著傳統(tǒng)資源的不斷減少,開采難度的不斷增加,開采的費用愈來愈昂貴,各國的政府、科學研究機構和學者也開始積極的去尋找清潔可再生能源來改變目前的能源利用結構,走可持續(xù)的能源發(fā)展道路。歐盟于2007年初提出了可再生能源的發(fā)展目標,到2020年可再生能源發(fā)電量需達到一次能源全部發(fā)電量的30%,可再生能源消費需占到一次能源總消費的20%。世界其它國家也相繼采取政府補貼電價、稅收優(yōu)惠、強制分配市場配額等手段鼓勵、支持和引導可再生能源的健康發(fā)展2我國人均能源擁有量仍處于較低水平,其中煤炭、水力資源約為世界人均擁有量的一半,而天然氣、石油僅約占世界人均資源量的1/153。我國人口眾多,人均能源消費水平低,能源需求增長壓力大,能源供應與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾十分突出。環(huán)境污染也是我國一個突出問題,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,大量開采和使用化石能源對環(huán)境影響很大,特別是我國能源消費結構中煤炭比例偏高,二氧化碳排放增長較快,對氣候變化影響較大?？稍偕茉辞鍧嵀h(huán)保,開發(fā)利用.過程不增加溫室氣體排放。大力開發(fā)利用可再生能源,對于我國優(yōu)化能源結構、保護環(huán)境、減排溫室氣體、應對氣候變化具有十分重要的作用。我國《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》明確提出:“實行優(yōu)惠的財稅、投資政策和強制性市場份額政策,鼓勵生產(chǎn)與消費可再生能源,提高在一次能源消費中的比重?！睘榱思涌炜稍偕茉窗l(fā)展,促進節(jié)能減排,積極應對氣候變化,更好地滿足經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的需要,在總結我國可再生能源資源、技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況,借鑒國際可再生能源發(fā)展經(jīng)驗基礎上,研究制定了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》,提出了具體發(fā)展目標:“逐步提高優(yōu)質(zhì)清潔可再生能源在能源結構中的比例,力爭到2010年使可再生能源消費量達到能源消費總量的10%,到2020年達到15%?！痹趯で笮履茉吹牡缆飞?人類開始逐漸重視占地球表面3/4的海洋。從數(shù)據(jù)上看,這片曾經(jīng)孕育生命的廣裹海洋蘊藏著巨大的能量:地球表面積約為5.lxloskmZ,其中陸地表面積為1.49x1o“枷,,海洋面積3.6lxl護枷2,占地表總面積的71%;以海平面計,全部陸地的平均海拔約為840m,而海洋的平均深度卻為38Om,整個海水的容積多達1.37x109枷3·`。海洋將太陽能以及其派生的風能等以熱能、機械能等形式蓄在海水里,不像在陸地和空中那樣容易散失,而且海洋能源是一種可再生的能源,取之不盡,用之不竭,若能充分開發(fā)利用,將極大的緩解目前的能源問題。海洋能是指依附于海水中的可再生能源,主要包括潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能、海流能等。太陽到達地球的能量,大部分落在海洋上空和海水中,部分轉化為各種形式的海洋能。潮汐能是地球旋轉所產(chǎn)生的能量通過太陽和月亮的引力作用而傳遞給海洋的,并由長周期波儲存的能量,潮汐的能量與潮差大小和潮量成正比;波浪能是一種在風的作用下產(chǎn)生的,并以位能和動能的形式由短周期波儲存的機械能,波浪的能量與波高的平方和波動水域面積成正比;海水溫差能是熱能,低緯度的海面水溫較高,與深層冷水存在溫度差,而儲存著溫差熱能,其能量與溫差的大小和水量成正比;河口水域的海水鹽度差能是化學能,入海徑流的淡水與海洋鹽水間有鹽度差,若隔以半透膜,淡水向海水一側滲透可產(chǎn)生滲透壓力,其能量與壓力差和滲透流量成正比;海流能是指海水流動的動能,主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海水流動所產(chǎn)生的能量,是一種以動能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能,海流的能量與流速平方和通流量成正比。潮汐、潮流,海流、波浪能都是機械。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織1981年出版物的估計數(shù)字,全世界理論上可再生的海洋能(包括潮汐能、波浪能、溫差能、鹽差能、海流能等通常認為的五種海洋能)總能量為766億千瓦.潮潮汐汐通過在河口建壩的方式利用用300+TWh/年年潮汐產(chǎn)生的水的勢能帶動水輪機實現(xiàn)能量轉化。海(潮)流利用模塊化裝置將海流或潮潮8,000一80,000+TWh/年年汐汐汐引起的海水的動能轉化為電能等等其他形式的能量。波浪利用各種裝置將由波浪引起起800+TWh/年年的的的動能和勢能轉換為電能等其他他他形式的能量。利用各種海洋溫差能轉換換10,000+TWh/年年(OTEC)裝置將表層海水和深層海海海水水水之間水溫之差引起的熱能進行行利利利用。鹽鹽差差在河流入?？谔?利用相關關2,000+TWh/年年裝裝裝置通過海水與淡水之間鹽度滲滲滲透透透壓差轉化勢能帶動水輪機實現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)能能能量轉換。。。由以上數(shù)據(jù)可知,海洋能的蘊藏量和開發(fā)潛力是驚人的。其中,與比較容易利用且已有許多商業(yè)化產(chǎn)品的太陽能和風能相比,波浪能有其特殊的優(yōu)勢,即不但能源分布廠,而且平均能密度遠遠大于太陽能和風能。太陽能的平均密度為100一200砰/mZ,風能為400一600平/m“,而波浪能可以達到2000一4000砰/mZ,幾乎是太陽能的200倍,風能的50倍,可見其能量密度之大。
我國擁有漫長的海岸線,沿海的波浪能資源也是十分可觀的。據(jù)觀測到的波浪資料計算顯示,我國沿岸波浪能資源理論量為1.29xl護K砰,以臺灣省沿岸最豐富,為
其次是浙江、廣東、福建和山東沿岸,在1.60xl2.05xl之間。全國沿岸波浪能流密度分布,以浙江中部、臺灣、福建省海壇島以北、渤海海峽為最高,達5.n一7.73KW/m;其次是西沙、廣東東部、浙江北部和南部,達3.63~4.05KW/山;再次為福建南部和山東半島南岸,達2.25~2.82KW/mg。
綜上所述,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,將成為一種可
以提供人類生活生產(chǎn)需要的綠色能源。從數(shù)據(jù)上可知,我國的波浪能資源非常豐富,這樣得天獨厚的天然條件,使我國研究波浪能發(fā)電技術具有重要的意義,既可以緩解能源危機的壓力,同時也具有現(xiàn)實的經(jīng)濟效益和長遠的戰(zhàn)略意義。
波浪能發(fā)電裝置的基礎研究是一個多學科交叉的前沿領域,是機械、電氣和流體力學等多個學科的綜合應用。在波浪能發(fā)電裝置的設計過程中,由于海洋環(huán)境的復雜性,對于波浪力的模擬和波浪對于波浪能發(fā)電裝置的一次能量捕獲機構的作用是一個研究難點。現(xiàn)有的波浪理論多研究波浪力對建筑物的破壞作用,鮮有從能量利用的角度去研究波浪力對捕能裝置(如擺、浮子等)的作用。因此,本課題在現(xiàn)有波浪理論的基礎上,對浮力擺的水動力學性能進行解析研究,并以此波浪力作為波浪能發(fā)電裝置的輸入進行仿真研究,分析系統(tǒng)的發(fā)電效率和功率頻率穩(wěn)定性。同時,進行場地實驗,以驗證仿真結果。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
波浪發(fā)電是指利用海面波浪的垂直運動、水平運動和海浪中水的壓力變化產(chǎn)生的能量發(fā)電,波浪能通過波浪能發(fā)電裝置首先被轉換為往復機械能,然后再通過能量轉換系統(tǒng)轉換成需要的動力或電能。盡管早在18世紀晚期,就已公布利用波浪的能量發(fā)電的相關專利,但對波浪能發(fā)電的真正重視和研究開始于19世紀70年代的石油危機的出現(xiàn)。隨著波浪能發(fā)電愈來愈被重視,世界各國相繼提出了許多波浪發(fā)電的設想和技術方案,至今大約有340余種不同的方案,發(fā)明專利超過千項。1910年,法國的波契克斯一普萊西克,建造了一套氣動式波浪能發(fā)電裝置,供應其住宅Ikw的電力。1965年,日本的益田善雄發(fā)明了導航燈浮標用氣輪機波浪能發(fā)電裝置,獲得推廣,成為首次商品化的波浪能發(fā)電裝置。1978年日本建造了“海明號”波浪發(fā)電船,其額定輸出功率為1250kw,最大輸出功率為20O0kW,隨后又對其進行過改造。受1973年石油危機的刺激,從20世紀70年代中期起,英國、日本、挪威等波浪能資源豐富的國家,把波浪能發(fā)電的開發(fā)作為應對未來能源危機的重要措施。1979年國際能源機構組織與日本、美國、英國、加拿大等國,進行波浪發(fā)電的聯(lián)合研究。1983年英國在蘇格蘭的路易斯,進行400OkW防波堤式波浪發(fā)電裝置的研究。1995年8月世界上首臺大型商用波浪能發(fā)電機組在英國克萊德河口海灣開始發(fā)電,裝機容量達ZOOOKW。2000年月1月,世界上第一個波浪發(fā)電廠在蘇格蘭lslay島附近建成并開始運行。目前,波浪能發(fā)電作為海上航標燈、觀測浮標及燈塔的電源被廣泛應用。但總體來看,波浪能發(fā)電的實際商用價值還遠遠沒有體現(xiàn)出來,這也說明波浪能發(fā)電的研究前景是無限光明的。波浪能發(fā)電雖然起步早,但進展十分緩慢,其原因大致可以歸結為技術的不成熟、海洋環(huán)境的惡劣、缺乏自信心等導致的許多國家在波浪能發(fā)電上投入的資金少。然而,近年來由于能源危機的日益嚴重,各個國家也開始重視可再生能源的開發(fā)利用,特別是在英國、日本和挪威,政府和私有企業(yè)均投入了大量的資金來研究和發(fā)展波浪能發(fā)電裝置,并致力于其商用價值的推廣。
目前波浪能發(fā)電技術種類繁多,按照國際上最新的分類方式,波浪能發(fā)電技術分為振蕩水柱技術(Theoseillatingwatereolumn(OWC))、越浪技術(Overtoppingeonverters)和振蕩浮子技術(oseillatingbodysystems)三種。
1.2.1振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術發(fā)展及研究現(xiàn)狀
振蕩水柱技術利用一個水下開口的氣室吸收波浪能。波浪驅(qū)動氣室內(nèi)的水柱往復運動,再通過水柱驅(qū)動氣室內(nèi)的空氣,進而由空氣驅(qū)動葉輪,得到旋轉機械能,或進一步驅(qū)動發(fā)電裝置,得到電能。其優(yōu)點是轉換裝置不與海水接觸,可靠性較高;工作于水面,便于研究,容易實施;缺點是效率低。
(一)固定式振蕩水柱裝置(Fixed一struetureOwC)
至今,基于各種原理的波浪能發(fā)電裝置方案被廣泛提出,但真正被制造并部署于海域的裝置卻很少,而部署于海岸的又大部分是被放置于近海岸的試驗樣機。通常,這些裝備被安裝于海底或巖石基上,近岸式裝備的優(yōu)點是易于安裝和維護。振蕩水柱裝置就是典型的第一代樣機。如圖1.1所示的固定式振蕩水柱裝置由一個部分淹沒于海底的混凝土或鋼結構與自由水平面共同構成一個氣室。波浪造成自由水平面的波動,從而使氣室內(nèi)的空氣波動,空氣流過渦輪機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。1999年,英國(LIMPET波浪能發(fā)電裝置在蘇格蘭,2000年'“)等地成功建造。所有這些裝置,均被固定在海底,且其主體結構是通過空氣渦輪機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。
(二)漂浮式振蕩水柱裝置(Floating一struetureOWC)
相較于固定式振蕩水柱裝置來說,漂浮式振蕩水柱裝置的氣室是一個浮動的,該裝置通過鎖鏈鉸接于海底,1940年,振蕩水柱裝置創(chuàng)始人YoshioMasuda設計的世界上首臺漂浮式振蕩水柱裝置Kaimei在日本海域進行實驗。隨后,YoshioMasuda發(fā)現(xiàn)Kalmei的能量轉換效率較低,對其進行了改造。1987年,另一個漂浮式振蕩水柱裝置MightyWhale(如圖1.3)開始研發(fā),于1998年由石力1島播磨重工業(yè)公司完成制造,投放于三重縣外海,安裝了1臺10KW、2臺soKw和2臺3oKw的發(fā)電機組。裝置寬30m,長SOm,,其形似巨鯨。裝置的氣室設計在裝置的前部,不同于大多數(shù)波浪能發(fā)電裝置的單一發(fā)電功能,該裝置是一個包括波浪發(fā)電、海上養(yǎng)殖和旅游的綜合系統(tǒng)'日。除此之外,英國布里斯維爾大學研制漂浮式振蕩水柱裝置Sperboy如圖1.4所示。該裝置放置于距岸13~20knl的地方,波浪情況很好。研究人員在延長裝置壽命、裝置抗浪能力、降低傳輸成本等方面將進行深入研究,以期降低發(fā)電成本。
中國的波浪能研究開始于1980。到2001年,開發(fā)了一系列振蕩水柱(OWC)波能裝置,
裝機容量分別為10w、6OW、100w?，F(xiàn)在,大約700臺10w振蕩水柱裝置用于為導航
浮標供電,其它振蕩水柱裝置均處于實驗階段劊。由于我國的波浪能流小,導致振蕩水柱裝置全年運行時間較短,效率偏低。而在歐洲波浪能流很大,波浪周期在105左右,波高3~sm,振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置承受的波浪力大,全年運行的時間長,所以,其總體發(fā)電效率高。
1.2.2越浪式波浪能發(fā)電技術發(fā)展及研究現(xiàn)狀
越浪技術是利用水道將波浪升至高水位水庫形成水位差,利用水位差產(chǎn)生的勢能直接驅(qū)動水輪發(fā)電機發(fā)電。其優(yōu)點是具有較高的可靠性、穩(wěn)定的輸出以及較高的效率;缺點是尺寸大,建造困難。收縮波道式波浪能發(fā)電裝置屬于越浪技術的應用之一,它是基于波聚理論的一種波能發(fā)電裝置,波聚理論最早由挪威特隆姆大學的Falnes和Budal提出。收縮波道式波浪能發(fā)電裝置具有一個比海平面高的高位水庫和一個漸收的波道。收縮波道其買就是兩道鋼筋混凝土做成的對數(shù)螺旋正交曲面,從海里一直延伸到高位水庫里,兩道墻在高位水庫內(nèi)相接。當海浪進入收縮波道時,由于收縮波道的波聚作用,使波浪的波高增大,從而使水越過鋼筋混凝土墻進入高位水庫,然后水庫里的水通過一個低水頭的水輪發(fā)電機組用來發(fā)電。挪威波能公司(NorwaveA.S)于1986年建造了一座裝機容量為35OKW的收縮波道式波浪能電站幾pChan(如圖1.5所示)。電站的技術關鍵是它的開口約60m的喇叭形聚波器和長約3Om的逐漸變窄的楔形導槽。當波浪進入導槽寬闊的一端向里傳播時,波高不斷地放大,直至波峰溢過邊墻,將波浪能轉換成勢能。楔形槽具有聚波器和轉換器的作用。與導槽相通的是面積約8500mZ,與海平面落差約3一sm的水庫。發(fā)電采用的是常
規(guī)水輪機組。這種轉換方法的優(yōu)點在于波浪能的轉換沒有活動部件,可靠性好,維護費用低且輸出穩(wěn)定。建造者稱其轉換效率在65%一75%之間,幾乎不受波高和周期的影響。電站自建成以來一直工作正常。不足之處是,建造這種電站對地形要求嚴格,不易推采用越浪技術的波浪能發(fā)電裝置還有丹麥的M值VeDragon(見圖1.6)州、挪威的SSG槽式裝置,均處于示范或試驗階段。
1.2.3振蕩浮子式波浪能發(fā)電技術發(fā)展及研究現(xiàn)狀
振蕩浮子技術包括了筏式、符子式、鴨式、、蛙式等諸多形式。振蕩浮子技術是利用波浪的運動推動波浪能發(fā)電裝置的活動部分(筏體、浮子、鴨體、擺等)產(chǎn)生往復運動,驅(qū)動機械系統(tǒng)或液壓系統(tǒng),最后驅(qū)動發(fā)電裝置發(fā)電。
(一)筏式波浪能發(fā)電裝置
筏式波浪能技術通過漂浮在水面的、端部鉸接的若干筏浮體俘獲波浪能,再通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。這些筏浮體通過鉸鏈相互鉸接在一起,能量轉換裝置置于每一鉸鏈處,波浪的運動引起波面筏浮體產(chǎn)生沿鉸接的彎曲,從而反復壓縮液壓活塞并輸出機械能。研究人員對該類裝置作了較廣泛的理論和試驗研究,研究表明當系統(tǒng)固有頻率與波頻相一致時,其輸出效率最高。英國oPD(OeeanpowerDelive巧)公司設計的750kw的海蛇號(pelamis),是筏式波浪能發(fā)電裝置的改良形式,它漂浮在海上呈蛇形,酷似一條海蛇,是世界上第一臺商業(yè)規(guī)模的近海波浪能源示范項目。其工作原理是將金屬海蛇的嘴垂直于海浪方向,其關節(jié)依靠海浪推動相互鉸接的金屬圓筒,像海蛇一樣隨著海浪上下起伏;接處的上下運動與側向運動的勢能將推動金屬圓筒內(nèi)的液壓活塞。“海蛇號”于2004年8月進行海試實驗,在1000多個小時的運行中沒有出現(xiàn)重大技術問題,運行狀況良好。
最近,OPD公司和英國政府準備建立一個可以提供20000個家庭用電、由40套“海蛇號發(fā)電裝置組成的30Mw波浪能發(fā)電。
(二)點頭鴨式波浪能發(fā)電裝置
點頭鴨式裝置是一種經(jīng)過填密推理設計出來的、具有特殊外形的波浪能發(fā)電裝置。該裝置具有一個垂直于來波方向安裝的轉動軸。裝置的橫截面輪廓呈鴨蛋形,其前端(迎浪面)較小,形狀可根據(jù)需要隨意設計;其后部(背浪面)較大,水下部分為圓弧形,圓心在轉動軸心處28。裝置在波浪作用下繞轉動軸往復轉動時,裝置的后部因為圓弧形,不造出向后行進的波;又由于點頭鴨式裝置吃水較深,海水中靠近表面的波浪難以從裝置下方越過,跑到裝置的后面,故點頭鴨式裝置的背后往往為無浪區(qū)一一這使得鴨式裝置可以將所有的短波攔截下來,所以它具有較高的一次能量捕獲效0。
一個漂浮式鴨式裝置正在該所研制,該裝置采用振蕩浮子裝置的動力攝取技術,以求降低漂浮式點頭鴨式裝置的成本。
(三)波浪能發(fā)電裝置波浪能發(fā)電裝置是如今三大商業(yè)應用波浪能發(fā)電裝置之一,其發(fā)電原理為利用擺在波浪力的作用下作往復擺動從而捕獲波浪能量,通過與擺相連的機械結構或液壓系統(tǒng)轉換將擺的動能和勢能轉換為機械能或液壓能,進而轉換為電能32,33。波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)點在于,擺的運動可以很好的適應波浪大推力和低頻的特性,因此,波浪能發(fā)電裝置的轉換效率較高。它的另一優(yōu)點是可以與相位控制技術很好的結合。利用相位控制技術可以使波浪能發(fā)電裝置吸收在迎波面寬度以外的波浪能量,從而大大提高裝置的效率波能裝置也可分為浮力和懸掛兩種。日本的度部富治教授最早提出了波浪能發(fā)電技術的概念。日本室蘭工業(yè)大學于1983年建造了世界上首臺懸掛波浪能發(fā)電裝置,其裝機容量為SKW。該波浪能發(fā)電裝置的擺寬為Zm,擺角范圍為一30-+30。,如圖1.12所示。在波高1.5m,周期4s的波況下,裝置的正常輸出功率約為5KW,總效率約為40%,屬日本電站中效率較高水平:46。隨后,日本室蘭工業(yè)大學在燒屁島的西浦港建造了一座同樣的裝置,用來向島上漁民的公寓供電。另一座由三個水槽組成的裝機容量為80KW電站也已完成設計?，F(xiàn)在日本室蘭工業(yè)大學又在研究300一600kw波浪能發(fā)電裝置,建于50m長的防波堤上,它包括4塊sm寬的擺板。同時,日本打算與斯里蘭卡合作,在斯里蘭卡海岸建一座150一250kw電站芬蘭AW~Energy公司研制的波浪能發(fā)電裝置—認伯veRoller:j7:在波浪的推動下,浮力擺來回擺動產(chǎn)生動能,經(jīng)液壓缸加以收集后,再由設置在岸上的發(fā)電機轉換為電力。浮力波浪能發(fā)電裝置環(huán)厄veRoller設置于海底,不僅無礙景觀、無噪音污染,而且比較不受暴風雨的影響。AW.Energy公司也聲稱,用于制造海浪發(fā)電機的零件與材料皆不會對環(huán)境構成危害,例如,這項創(chuàng)新的潮汐能發(fā)電系統(tǒng),其液壓零件所使用的油,是由植物煉制的。另一項優(yōu)點則是,發(fā)電機組的葉片可以輕易增加,安裝成本也相對較為低廉。WaveRoller的第一臺樣機2007年在葡萄牙裝機。2009年,AW~Energy公司得到了來自歐盟的300萬歐元資金支助。在這筆資金的推動下,公司正在葡萄牙設計并建造一個新的實驗工廠,其位置靠近波浪資源豐富的城市Peniche。該實驗工廠在2011年正式部署,其目標是在城市最高負荷時期提供30%的供電,同時將發(fā)電成本控制在大約400歐元生產(chǎn)1兆瓦小時電力38。我國國家海洋局海洋技術中心也研建了SKW和3OKW岸式波浪能發(fā)電裝置,為島上居民供電。
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畢 業(yè) 設 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:
由于海洋波浪能利用技術較新，針對相關裝置的優(yōu)化設計還比較少，進行相關研究工作對裝置的優(yōu)化設計具有指導意義。 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，這些裝置機械結構和原理各異，轉換效率高低不一，大部分處于理論或者初步設計階段。在點頭鴨式波浪能發(fā)電技術方面：以往多采用采集波浪能的方式，或者多個點頭鴨式波能發(fā)電裝置裝置在二次轉換以后再進行電力調(diào)配和并網(wǎng)，對點頭鴨式波能發(fā)電裝置波浪能發(fā)電裝置的研究較少，相關振蕩浮子陣列中振蕩浮子間運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)電裝置的技術原理。并對與本文提及的多點波浪能發(fā)電裝置進行了調(diào)查和分析。
第二章介紹了點頭鴨式波能發(fā)電裝置發(fā)電裝置的機械結構和原理。
第三章針對點頭鴨式波能發(fā)電裝置發(fā)電裝置進行機械結構系統(tǒng)設計
進行詳細的設計計算過程，書寫說明書。
擬采用的研究手段（途徑）：
提出了一種新型點頭鴨式波能發(fā)電裝置發(fā)電裝置，裝置機箱部分通過支柱支撐位于海以上，提高裝置的抗腐蝕性，采用點頭鴨式波能發(fā)電裝置能量和配套的液壓系統(tǒng)提高的裝置整體的波浪能轉換效率和穩(wěn)定性。
本課題的研究需要查閱大量的資料，我要先到學校圖書館查閱與本課題有關的書籍和資料本，同時上網(wǎng)瀏覽最新的有關課題的文獻資料在本次設計中，我們不僅僅能提高專業(yè)知識，還提高了查閱專業(yè)設計手冊、圖冊的能力，并熟悉相關的國家標準，鍛煉獨立解決實際問題的能力，提高操作繪圖軟件繪制工程圖的熟練度等。重要的是能讓我們將理論知識運用到實踐中去，提高實踐能力。
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
指導教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測：
3.是否同意開題：□ 同意 □ 不同意
指導教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日