摆式波浪能发电装置设计与研究

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国际社会对保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化等问题日益重视,加快开发利用海洋能已成为世界沿海国家和地区的普遍共识和一致行动,波浪能作为利用品位最高的海洋能,开展波浪能装备整机、能量捕获、动力输出、锚泊系统等技术优化,成为该领域研究重点。  针对海洋观测仪器能源供给需求,开发出一款小型化摆式波浪能发电装置,旨在为其提供长期、稳定能源供给。主要对提出的一种摆式波浪能发电装置进行了仿真和实验研究,开展了装置的工作原理、系统结构、设计方案、建模仿真和样机实验等几个方面的研究,探索波浪能—机械能—电能相互转换机理。主要研究工作:  (1)论述了背景、分析了国内外波浪能资源分布、研究了国内外波浪能发电技术的现状,介绍了文章的主要研究目的和研究意义。  (2)根据设计要求和波浪能利用基本原理,提出了一种小型化摆式波浪能发电装置设计方案,该装置主要包括三大部分:波能获能机构、能量转换机构和电路部分,基于机械基本理论和机械设计的方法,分别针对获能机构和转换机构进行了设计计算和校核,再接着根据波浪运动特点和装置的工作特性要求,以及所选取的电机的参数,完成整流稳压滤波系统电路设计,实现电能的稳定输出。最后,完成整个摆式波浪能发电装置的三维建模,建立各级能量传递的匹配关系。  (3)对摆式波浪能发电装置机电系统进行仿真研究。首先基于ADAMS环境建立了虚拟样机模型,设置了各部件的质量和材料属性参数,建立各零部件之间的约束和驱动。然后对装置机械传动部分进行了运动学和动力学仿真分析,验证了该装置机械传动机构相对运动关系的正确性。接着进一步的完成整个装置机电耦合系统仿真分析,建立ADAMS/Machinery Motor模型,提取了发电机输参数。最后,计算了仿真发电效率,研究发现给定30°输入摆角时,最大幅值电压为4.0V,发电效率为24.70%。  (4)研制了一套摆式波浪能发电装置实验样机,搭建了其实验平台,整个实验系统包括机械部分、测试电路板和测试仪器示波器这三个部分。研究了在不同摆角给定条件下,绘出电机电压测量值随时间变化曲线。研究结果发现,当输入摆角为30°时,电机的最大幅值电压为3.53V,此时发效率为24.4%,和仿真结果基本一致,从而验证本装置设计合理性,以及仿真结果的准确性。
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