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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
設(shè)計(jì)(論文)題目： 點(diǎn)頭鴨波浪能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：
專(zhuān) 業(yè)：
所在學(xué)院：
指導(dǎo)教師：
職 稱(chēng)：
年 月 日
開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求
1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專(zhuān)業(yè)審查后生效；
2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)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(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的框架成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)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(cè)）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。
5.開(kāi)題報(bào)告（文獻(xiàn)綜述）字體請(qǐng)按宋體、小四號(hào)書(shū)寫(xiě)，行間距1.5倍。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)不少于1000字的文獻(xiàn)綜述：
1.l課題研究背景
能源是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),人類(lèi)的發(fā)展是伴隨著優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的使用而進(jìn)行。然而,在過(guò)去的幾十年中,為了短期的經(jīng)濟(jì)效益,人類(lèi)對(duì)于諸如石油、煤等傳統(tǒng)能源的開(kāi)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(jì)年鑒2011)}的統(tǒng)計(jì)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(gè)方面的供應(yīng),石油、煤炭、天然氣是世界能源結(jié)構(gòu)的主要組成部分,2010年它們占全球能源消費(fèi)的比例分別是:33.6%、29-6%和23.3%?？梢?jiàn),石油仍然是全球最大的能源來(lái)源,但是傳統(tǒng)能源的儲(chǔ)量并不足以讓人類(lèi)樂(lè)觀(guān)的面對(duì)未來(lái)的能源需求,以石油為例,按目前的年開(kāi)采量,2010年年底探明的石油儲(chǔ)量還可供開(kāi)采46.2年。然而,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人類(lèi)社會(huì)對(duì)于能源的需求量會(huì)日益增大,傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量卻是在日益減少的,兩者之間的矛盾越來(lái)越激烈?！禕P世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2011》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,2010年,能源消費(fèi)總量輕松超越了2008年經(jīng)濟(jì)衰退前所達(dá)到的峰值。2011年能源消費(fèi)增長(zhǎng)比例為5-6%,達(dá)到1973年以來(lái)的最高漲幅。各類(lèi)能源消費(fèi)和各地區(qū)能源消費(fèi)都增長(zhǎng)強(qiáng)勁。新興經(jīng)濟(jì)體的能源消費(fèi)繼續(xù)快速增長(zhǎng),經(jīng)合組織國(guó)家的能源消費(fèi)增幅也遠(yuǎn)高于平均水平。數(shù)據(jù)同時(shí)表明,去年全球化石燃料消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放量也出現(xiàn)大幅增長(zhǎng),隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重,以致開(kāi)始危及人類(lèi)的生存和發(fā)展`。
在能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的雙重壓力下,人類(lèi)采取了制定《京都議定書(shū)》、《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》等一系列措施來(lái)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(shí)隨著傳統(tǒng)資源的不斷減少,開(kāi)采難度的不斷增加,開(kāi)采的費(fèi)用愈來(lái)愈昂貴,各國(guó)的政府、科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者也開(kāi)始積極的去尋找清潔可再生能源來(lái)改變目前的能源利用結(jié)構(gòu),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(biāo),到2020年可再生能源發(fā)電量需達(dá)到一次能源全部發(fā)電量的30%,可再生能源消費(fèi)需占到一次能源總消費(fèi)的20%。世界其它國(guó)家也相繼采取政府補(bǔ)貼電價(jià)、稅收優(yōu)惠、強(qiáng)制分配市場(chǎng)配額等手段鼓勵(lì)、支持和引導(dǎo)可再生能源的健康發(fā)展2我國(guó)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(guó)人口眾多,人均能源消費(fèi)水平低,能源需求增長(zhǎng)壓力大,能源供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾十分突出。環(huán)境污染也是我國(guó)一個(gè)突出問(wèn)題,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,大量開(kāi)采和使用化石能源對(duì)環(huán)境影響很大,特別是我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭比例偏高,二氧化碳排放增長(zhǎng)較快,對(duì)氣候變化影響較大?？稍偕茉辞鍧嵀h(huán)保,開(kāi)發(fā)利用.過(guò)程不增加溫室氣體排放。大力開(kāi)發(fā)利用可再生能源,對(duì)于我國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、減排溫室氣體、應(yīng)對(duì)氣候變化具有十分重要的作用。我國(guó)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》明確提出:“實(shí)行優(yōu)惠的財(cái)稅、投資政策和強(qiáng)制性市場(chǎng)份額政策,鼓勵(lì)生產(chǎn)與消費(fèi)可再生能源,提高在一次能源消費(fèi)中的比重?！睘榱思涌炜稍偕茉窗l(fā)展,促進(jìn)節(jié)能減排,積極應(yīng)對(duì)氣候變化,更好地滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要,在總結(jié)我國(guó)可再生能源資源、技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r,借鑒國(guó)際可再生能源發(fā)展經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,研究制定了《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》,提出了具體發(fā)展目標(biāo):“逐步提高優(yōu)質(zhì)清潔可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例,力爭(zhēng)到2010年使可再生能源消費(fèi)量達(dá)到能源消費(fèi)總量的10%,到2020年達(dá)到15%?！痹趯で笮履茉吹牡缆飞?人類(lèi)開(kāi)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(yùn)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(hù)枷2,占地表總面積的71%;以海平面計(jì),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(gè)海水的容積多達(dá)1.37x109枷3·`。海洋將太陽(yáng)能以及其派生的風(fēng)能等以熱能、機(jī)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(kāi)發(fā)利用,將極大的緩解目前的能源問(wèn)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(yáng)到達(dá)地球的能量,大部分落在海洋上空和海水中,部分轉(zhuǎn)化為各種形式的海洋能。潮汐能是地球旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的能量通過(guò)太陽(yáng)和月亮的引力作用而傳遞給海洋的,并由長(zhǎng)周期波儲(chǔ)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(fēng)的作用下產(chǎn)生的,并以位能和動(dòng)能的形式由短周期波儲(chǔ)存的機(jī)械能,波浪的能量與波高的平方和波動(dòng)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(chǔ)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(xué)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(cè)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(dòng)的動(dòng)能,主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動(dòng)以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動(dòng)所產(chǎn)生的能量,是一種以動(dòng)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(jī)械。根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織1981年出版物的估計(jì)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(rèn)為的五種海洋能)總能量為766億千瓦.潮潮汐汐通過(guò)在河口建壩的方式利用用300+TWh/年年潮汐產(chǎn)生的水的勢(shì)能帶動(dòng)水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)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(dòng)能轉(zhuǎn)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(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能等其他他他形式的能量。利用各種海洋溫差能轉(zhuǎn)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(jìn)行行利利利用。鹽鹽差差在河流入?？谔?利用相關(guān)關(guān)2,000+TWh/年年裝裝裝置通過(guò)海水與淡水之間鹽度滲滲滲透透透壓差轉(zhuǎn)化勢(shì)能帶動(dòng)水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)現(xiàn)能能能量轉(zhuǎn)換。。。由以上數(shù)據(jù)可知,海洋能的蘊(yùn)藏量和開(kāi)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(yáng)能和風(fēng)能相比,波浪能有其特殊的優(yōu)勢(shì),即不但能源分布廠(chǎng),而且平均能密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽(yáng)能和風(fēng)能。太陽(yáng)能的平均密度為100一200砰/mZ,風(fēng)能為400一600平/m“,而波浪能可以達(dá)到2000一4000砰/mZ,幾乎是太陽(yáng)能的200倍,風(fēng)能的50倍,可見(jiàn)其能量密度之大。
我國(guó)擁有漫長(zhǎng)的海岸線(xiàn),沿海的波浪能資源也是十分可觀(guān)的。據(jù)觀(guān)測(cè)到的波浪資料計(jì)算顯示,我國(guó)沿岸波浪能資源理論量為1.29xl護(hù)K砰,以臺(tái)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(guó)沿岸波浪能流密度分布,以浙江中部、臺(tái)灣、福建省海壇島以北、渤海海峽為最高,達(dá)5.n一7.73KW/m;其次是西沙、廣東東部、浙江北部和南部,達(dá)3.63~4.05KW/山;再次為福建南部和山東半島南岸,達(dá)2.25~2.82KW/mg。
綜上所述,波浪能具有非常好的開(kāi)發(fā)意義和開(kāi)發(fā)前景,如果開(kāi)發(fā)得當(dāng),將成為一種可
以提供人類(lèi)生活生產(chǎn)需要的綠色能源。從數(shù)據(jù)上可知,我國(guó)的波浪能資源非常豐富,這樣得天獨(dú)厚的天然條件,使我國(guó)研究波浪能發(fā)電技術(shù)具有重要的意義,既可以緩解能源危機(jī)的壓力,同時(shí)也具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。
波浪能發(fā)電裝置的基礎(chǔ)研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域,是機(jī)械、電氣和流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的綜合應(yīng)用。在波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性,對(duì)于波浪力的模擬和波浪對(duì)于波浪能發(fā)電裝置的一次能量捕獲機(jī)構(gòu)的作用是一個(gè)研究難點(diǎn)?，F(xiàn)有的波浪理論多研究波浪力對(duì)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(duì)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(chǔ)上,對(duì)浮力擺的水動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)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(jìn)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(shí),進(jìn)行場(chǎng)地實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證仿真結(jié)果。
1.2 國(guó)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(yùn)動(dòng)、水平運(yùn)動(dòng)和海浪中水的壓力變化產(chǎn)生的能量發(fā)電,波浪能通過(guò)波浪能發(fā)電裝置首先被轉(zhuǎn)換為往復(fù)機(jī)械能,然后再通過(guò)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成需要的動(dòng)力或電能。盡管早在18世紀(jì)晚期,就已公布利用波浪的能量發(fā)電的相關(guān)專(zhuān)利,但對(duì)波浪能發(fā)電的真正重視和研究開(kāi)始于19世紀(jì)70年代的石油危機(jī)的出現(xiàn)。隨著波浪能發(fā)電愈來(lái)愈被重視,世界各國(guó)相繼提出了許多波浪發(fā)電的設(shè)想和技術(shù)方案,至今大約有340余種不同的方案,發(fā)明專(zhuān)利超過(guò)千項(xiàng)。1910年,法國(guó)的波契克斯一普萊西克,建造了一套氣動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置,供應(yīng)其住宅Ikw的電力。1965年,日本的益田善雄發(fā)明了導(dǎo)航燈浮標(biāo)用氣輪機(jī)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(hào)”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(duì)其進(jìn)行過(guò)改造。受1973年石油危機(jī)的刺激,從20世紀(jì)70年代中期起,英國(guó)、日本、挪威等波浪能資源豐富的國(guó)家,把波浪能發(fā)電的開(kāi)發(fā)作為應(yīng)對(duì)未來(lái)能源危機(jī)的重要措施。1979年國(guó)際能源機(jī)構(gòu)組織與日本、美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó),進(jìn)行波浪發(fā)電的聯(lián)合研究。1983年英國(guó)在蘇格蘭的路易斯,進(jìn)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(tái)大型商用波浪能發(fā)電機(jī)組在英國(guó)克萊德河口海灣開(kāi)始發(fā)電,裝機(jī)容量達(dá)ZOOOKW。2000年月1月,世界上第一個(gè)波浪發(fā)電廠(chǎng)在蘇格蘭lslay島附近建成并開(kāi)始運(yùn)行。目前,波浪能發(fā)電作為海上航標(biāo)燈、觀(guān)測(cè)浮標(biāo)及燈塔的電源被廣泛應(yīng)用。但總體來(lái)看,波浪能發(fā)電的實(shí)際商用價(jià)值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái),這也說(shuō)明波浪能發(fā)電的研究前景是無(wú)限光明的。波浪能發(fā)電雖然起步早,但進(jìn)展十分緩慢,其原因大致可以歸結(jié)為技術(shù)的不成熟、海洋環(huán)境的惡劣、缺乏自信心等導(dǎo)致的許多國(guó)家在波浪能發(fā)電上投入的資金少。然而,近年來(lái)由于能源危機(jī)的日益嚴(yán)重,各個(gè)國(guó)家也開(kāi)始重視可再生能源的開(kāi)發(fā)利用,特別是在英國(guó)、日本和挪威,政府和私有企業(yè)均投入了大量的資金來(lái)研究和發(fā)展波浪能發(fā)電裝置,并致力于其商用價(jià)值的推廣。
目前波浪能發(fā)電技術(shù)種類(lèi)繁多,按照國(guó)際上最新的分類(lèi)方式,波浪能發(fā)電技術(shù)分為振蕩水柱技術(shù)(Theoseillatingwatereolumn(OWC))、越浪技術(shù)(Overtoppingeonverters)和振蕩浮子技術(shù)(oseillatingbodysystems)三種。
1.2.1振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀
振蕩水柱技術(shù)利用一個(gè)水下開(kāi)口的氣室吸收波浪能。波浪驅(qū)動(dòng)氣室內(nèi)的水柱往復(fù)運(yùn)動(dòng),再通過(guò)水柱驅(qū)動(dòng)氣室內(nèi)的空氣,進(jìn)而由空氣驅(qū)動(dòng)葉輪,得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械能,或進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置,得到電能。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)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(shí)施;缺點(diǎn)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(yàn)樣機(jī)。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(diǎn)是易于安裝和維護(hù)。振蕩水柱裝置就是典型的第一代樣機(jī)。如圖1.1所示的固定式振蕩水柱裝置由一個(gè)部分淹沒(méi)于海底的混凝土或鋼結(jié)構(gòu)與自由水平面共同構(gòu)成一個(gè)氣室。波浪造成自由水平面的波動(dòng),從而使氣室內(nèi)的空氣波動(dòng),空氣流過(guò)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。1999年,英國(guó)(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(jié)構(gòu)是通過(guò)空氣渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)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(lái)說(shuō),漂浮式振蕩水柱裝置的氣室是一個(gè)浮動(dòng)的,該裝置通過(guò)鎖鏈鉸接于海底,1940年,振蕩水柱裝置創(chuàng)始人YoshioMasuda設(shè)計(jì)的世界上首臺(tái)漂浮式振蕩水柱裝置Kaimei在日本海域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。隨后,YoshioMasuda發(fā)現(xiàn)Kalmei的能量轉(zhuǎn)換效率較低,對(duì)其進(jìn)行了改造。1987年,另一個(gè)漂浮式振蕩水柱裝置MightyWhale(如圖1.3)開(kāi)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(tái)10KW、2臺(tái)soKw和2臺(tái)3oKw的發(fā)電機(jī)組。裝置寬30m,長(zhǎng)SOm,,其形似巨鯨。裝置的氣室設(shè)計(jì)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(gè)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(guó)布里斯維爾大學(xué)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(zhǎng)裝置壽命、裝置抗浪能力、降低傳輸成本等方面將進(jìn)行深入研究,以期降低發(fā)電成本。
中國(guó)的波浪能研究開(kāi)始于1980。到2001年,開(kāi)發(fā)了一系列振蕩水柱(OWC)波能裝置,
裝機(jī)容量分別為10w、6OW、100w。現(xiàn)在,大約700臺(tái)10w振蕩水柱裝置用于為導(dǎo)航
浮標(biāo)供電,其它振蕩水柱裝置均處于實(shí)驗(yàn)階段劊。由于我國(guó)的波浪能流小,導(dǎo)致振蕩水柱裝置全年運(yùn)行時(shí)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(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng),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(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀
越浪技術(shù)是利用水道將波浪升至高水位水庫(kù)形成水位差,利用水位差產(chǎn)生的勢(shì)能直接驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的可靠性、穩(wěn)定的輸出以及較高的效率;缺點(diǎn)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(shù)的應(yīng)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(xué)的Falnes和Budal提出。收縮波道式波浪能發(fā)電裝置具有一個(gè)比海平面高的高位水庫(kù)和一個(gè)漸收的波道。收縮波道其買(mǎi)就是兩道鋼筋混凝土做成的對(duì)數(shù)螺旋正交曲面,從海里一直延伸到高位水庫(kù)里,兩道墻在高位水庫(kù)內(nèi)相接。當(dāng)海浪進(jìn)入收縮波道時(shí),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(guò)鋼筋混凝土墻進(jìn)入高位水庫(kù),然后水庫(kù)里的水通過(guò)一個(gè)低水頭的水輪發(fā)電機(jī)組用來(lái)發(fā)電。挪威波能公司(NorwaveA.S)于1986年建造了一座裝機(jī)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(shù)關(guān)鍵是它的開(kāi)口約60m的喇叭形聚波器和長(zhǎng)約3Om的逐漸變窄的楔形導(dǎo)槽。當(dāng)波浪進(jìn)入導(dǎo)槽寬闊的一端向里傳播時(shí),波高不斷地放大,直至波峰溢過(guò)邊墻,將波浪能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能。楔形槽具有聚波器和轉(zhuǎn)換器的作用。與導(dǎo)槽相通的是面積約8500mZ,與海平面落差約3一sm的水庫(kù)。發(fā)電采用的是常
規(guī)水輪機(jī)組。這種轉(zhuǎn)換方法的優(yōu)點(diǎn)在于波浪能的轉(zhuǎn)換沒(méi)有活動(dòng)部件,可靠性好,維護(hù)費(fèi)用低且輸出穩(wěn)定。建造者稱(chēng)其轉(zhuǎn)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(lái)一直工作正常。不足之處是,建造這種電站對(duì)地形要求嚴(yán)格,不易推采用越浪技術(shù)的波浪能發(fā)電裝置還有丹麥的M值VeDragon(見(jiàn)圖1.6)州、挪威的SSG槽式裝置,均處于示范或試驗(yàn)階段。
1.2.3振蕩浮子式波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀
振蕩浮子技術(shù)包括了筏式、符子式、鴨式、、蛙式等諸多形式。振蕩浮子技術(shù)是利用波浪的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)波浪能發(fā)電裝置的活動(dòng)部分(筏體、浮子、鴨體、擺等)產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)或液壓系統(tǒng),最后驅(qū)動(dòng)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(shù)通過(guò)漂浮在水面的、端部鉸接的若干筏浮體俘獲波浪能,再通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這些筏浮體通過(guò)鉸鏈相互鉸接在一起,能量轉(zhuǎn)換裝置置于每一鉸鏈處,波浪的運(yùn)動(dòng)引起波面筏浮體產(chǎn)生沿鉸接的彎曲,從而反復(fù)壓縮液壓活塞并輸出機(jī)械能。研究人員對(duì)該類(lèi)裝置作了較廣泛的理論和試驗(yàn)研究,研究表明當(dāng)系統(tǒng)固有頻率與波頻相一致時(shí),其輸出效率最高。英國(guó)oPD(OeeanpowerDelive巧)公司設(shè)計(jì)的750kw的海蛇號(hào)(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(tái)商業(yè)規(guī)模的近海波浪能源示范項(xiàng)目。其工作原理是將金屬海蛇的嘴垂直于海浪方向,其關(guān)節(jié)依靠海浪推動(dòng)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(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng)的勢(shì)能將推動(dòng)金屬圓筒內(nèi)的液壓活塞?！昂Ｉ咛?hào)”于2004年8月進(jìn)行海試實(shí)驗(yàn),在1000多個(gè)小時(shí)的運(yùn)行中沒(méi)有出現(xiàn)重大技術(shù)問(wèn)題,運(yùn)行狀況良好。
最近,OPD公司和英國(guó)政府準(zhǔn)備建立一個(gè)可以提供20000個(gè)家庭用電、由40套“海蛇號(hào)發(fā)電裝置組成的30Mw波浪能發(fā)電。
(二)點(diǎn)頭鴨式波浪能發(fā)電裝置
點(diǎn)頭鴨式裝置是一種經(jīng)過(guò)填密推理設(shè)計(jì)出來(lái)的、具有特殊外形的波浪能發(fā)電裝置。該裝置具有一個(gè)垂直于來(lái)波方向安裝的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)計(jì);其后部(背浪面)較大,水下部分為圓弧形,圓心在轉(zhuǎn)動(dòng)軸心處28。裝置在波浪作用下繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),裝置的后部因?yàn)閳A弧形,不造出向后行進(jìn)的波;又由于點(diǎn)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(guò),跑到裝置的后面,故點(diǎn)頭鴨式裝置的背后往往為無(wú)浪區(qū)一一這使得鴨式裝置可以將所有的短波攔截下來(lái),所以它具有較高的一次能量捕獲效0。
一個(gè)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(dòng)力攝取技術(shù),以求降低漂浮式點(diǎn)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(yīng)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(fù)擺動(dòng)從而捕獲波浪能量,通過(guò)與擺相連的機(jī)械結(jié)構(gòu)或液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換將擺的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或液壓能,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能32,33。波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)在于,擺的運(yùn)動(dòng)可以很好的適應(yīng)波浪大推力和低頻的特性,因此,波浪能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率較高。它的另一優(yōu)點(diǎn)是可以與相位控制技術(shù)很好的結(jié)合。利用相位控制技術(shù)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(shù)的概念。日本室蘭工業(yè)大學(xué)于1983年建造了世界上首臺(tái)懸掛波浪能發(fā)電裝置,其裝機(jī)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(xué)在燒屁島的西浦港建造了一座同樣的裝置,用來(lái)向島上漁民的公寓供電。另一座由三個(gè)水槽組成的裝機(jī)容量為80KW電站也已完成設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在日本室蘭工業(yè)大學(xué)又在研究300一600kw波浪能發(fā)電裝置,建于50m長(zhǎng)的防波堤上,它包括4塊sm寬的擺板。同時(shí),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(rèn)伯veRoller:j7:在波浪的推動(dòng)下,浮力擺來(lái)回?cái)[動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能,經(jīng)液壓缸加以收集后,再由設(shè)置在岸上的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電力。浮力波浪能發(fā)電裝置環(huán)厄veRoller設(shè)置于海底,不僅無(wú)礙景觀(guān)、無(wú)噪音污染,而且比較不受暴風(fēng)雨的影響。AW.Energy公司也聲稱(chēng),用于制造海浪發(fā)電機(jī)的零件與材料皆不會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成危害,例如,這項(xiàng)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(xiàng)優(yōu)點(diǎn)則是,發(fā)電機(jī)組的葉片可以輕易增加,安裝成本也相對(duì)較為低廉。WaveRoller的第一臺(tái)樣機(jī)2007年在葡萄牙裝機(jī)。2009年,AW~Energy公司得到了來(lái)自歐盟的300萬(wàn)歐元資金支助。在這筆資金的推動(dòng)下,公司正在葡萄牙設(shè)計(jì)并建造一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)工廠(chǎng),其位置靠近波浪資源豐富的城市Peniche。該實(shí)驗(yàn)工廠(chǎng)在2011年正式部署,其目標(biāo)是在城市最高負(fù)荷時(shí)期提供30%的供電,同時(shí)將發(fā)電成本控制在大約400歐元生產(chǎn)1兆瓦小時(shí)電力38。我國(guó)國(guó)家海洋局海洋技術(shù)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(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
2．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
本課題要研究或解決的問(wèn)題:
由于海洋波浪能利用技術(shù)較新，針對(duì)相關(guān)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)還比較少，進(jìn)行相關(guān)研究工作對(duì)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 國(guó)內(nèi)外通過(guò)研究海洋波浪能的特點(diǎn)，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(jì)階段。在點(diǎn)頭鴨式波浪能發(fā)電技術(shù)方面：以往多采用采集波浪能的方式，或者多個(gè)點(diǎn)頭鴨式波能發(fā)電裝置裝置在二次轉(zhuǎn)換以后再進(jìn)行電力調(diào)配和并網(wǎng)，對(duì)點(diǎn)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(guān)振蕩浮子陣列中振蕩浮子間運(yùn)動(dòng)的相互影響也較少。
第一章簡(jiǎn)述了海洋能資源背景和國(guó)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(duì)與本文提及的多點(diǎn)波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了調(diào)查和分析。
第二章介紹了點(diǎn)頭鴨式波能發(fā)電裝置發(fā)電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理。
第三章針對(duì)點(diǎn)頭鴨式波能發(fā)電裝置發(fā)電裝置進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，書(shū)寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。
擬采用的研究手段（途徑）：
提出了一種新型點(diǎn)頭鴨式波能發(fā)電裝置發(fā)電裝置，裝置機(jī)箱部分通過(guò)支柱支撐位于海以上，提高裝置的抗腐蝕性，采用點(diǎn)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(zhuǎn)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(xué)校圖書(shū)館查閱與本課題有關(guān)的書(shū)籍和資料本，同時(shí)上網(wǎng)瀏覽最新的有關(guān)課題的文獻(xiàn)資料在本次設(shè)計(jì)中，我們不僅僅能提高專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還提高了查閱專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)、圖冊(cè)的能力，并熟悉相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鍛煉獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)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(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去，提高實(shí)踐能力。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
3.是否同意開(kāi)題：□ 同意 □ 不同意
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日