波浪能发电装置中吸收转换系统的研究

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能源在人类社会发展过程中占据重要地位,无论是日常生活还是各种社会生产活动都离不开能源。最早被人们开发利用的是煤炭、石油等化石能源。这些传统化石能源是不可再生能源,它们在地球上的储藏量有限,经济的飞速发展导致能源的需求量日益增长。在时代的潮流下,海洋波浪能作为一种清洁无污染的新型能源在近年得到了大力的发展。  同时,工作在海洋环境中的各种监测设备,如海洋浮标,海床基设备依然在依靠传统的蓄电池作为能源供给方式。海床基可以作为多维度的开发利用海洋资源的监测平台,对我国沿海区域诸如渤海环境进行全面的、长期地监测。目前,我国在渤海区域内布设8套海床基海洋环境自动监测站系统(大连—蓬莱一线四套,渤海内布设四套),对研究渤海的自净化能力和对渤海的治理决策可以提供科学依据。考虑到海洋监测设备周围就包含无尽的海洋波浪能源,假使能直接利用海洋波浪能作为驱动能源将为海洋监测设备的运行提供极大的便利。  针对本课题所面向的领域,探讨了在研究中应该重点关注的关键技术,如微幅波理论及由于海洋波浪时变性带来的最大功率捕获技术。由此给出了整个系统的设计思路,即通过双叶轮吸收装置作为一级能量转换装置,该装置可将海洋波浪能转化为旋转机械能,为后续能量转化或利用提供了便利,如可直接使用叶轮转轴连接发电机进行发电。但做进一步研究后,发现该吸收装置依然无法避免海洋波浪能利用的一大瓶颈,即输入能量的不连续、不稳定性。针对这个问题,选定采用二级能量转换来达到旋转机械能输出稳定的目的。设计双叶轮系统连接到液压系统作为二级转换装置,最后连接发电机进行发电。紧接着阐述了整个发电系统的工作原理及过程。  对一级能量转换装置,由上海海洋大学设计的双叶轮波浪能吸收装置的关键参数进行了研究,包括叶轮的轮彀直径及叶片安装角度,并通过Fluent软件对这两项参数设计的合理性进行了验证,验证结果显示,在改变相关参数后,设计的叶轮轮彀直径及叶片安装角度无论是在受到水流冲击力还是能量转换方面都具有比较好的效果。  由于此次的研究针对的目标非常明确,即海床基海洋观测系统,所以在构建整个波浪能发电系统的时候,首先对海床基的用电需求做了详细的分析。在此基础上结合一级能量转换装置的捕能效率,核算了液压系统各个部件应具备的参数,结合叶轮的最大能量捕获理论的研究,对液压泵、液压马达进行了选型。  在建立叶轮的捕能模型的基础上,研究了液压容积调速的相关理论,很好的控制了由于海洋水流流速的时变带来的整个系统功率输出不稳定的问题,并在第六章建立的相关的容积调速系统的方针模型并对其仿真模型进行了验证,验证表明该控制方法是可行的。最后使用AMESim软件对搭建的液压转换系统进行了系统稳定性输出验证,在保证了输入,即一级能量吸收装置的输入为稳定的情况下,通过该仿真验证了液压系统具有稳定的输出。
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