新型增频式柱海上波浪能发电装置设计开题报告

全文总字数：5888字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

现代社会的高速发展离不开对能源的大量利用。自工业革命以来，化石燃料的应用越来越广泛，现代工业的发展早已离不开化石能源，不止于此，随着化工产业的发展，化石能源被用于各行各业，已经深深渗透到我们生活的各个方面，能源危机成了人们谈论的焦点。为了解决日益严重的能源危机，积极开发新能源，各种新能源研究如雨后春笋般层出不穷，作为覆盖地球表面高达70%的海洋，对海洋能源的利用也提上了日程。

我国拥有丰富的海洋资源，漫长的海岸线与广阔的领海使我国对海洋资源的利用的研究负有重大责任。同时，开展海上研究与海洋资源的勘探和开发都需要有稳定可靠的海上能源，以对科考仪器、海上浮标等持续供电。当前，针对波浪压电发电的研究寥寥无几，主要的研究都是针对具体的发电装置开展的。根据波能转换与压电单元的结合方式，波浪压电发电大致可以分为三种类型：直接耦合式、流致振动式以及增频式。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容如下：

（1）查阅收集相关文献与资料，了解压电发电装置工作原理以及不同压电发电装置的优缺点；

在Burns申请的压电波能转换装置专利^[1]中，其设计的新型转换装置如图2-1所示。其通过垂荡体在波浪中运动来拉动压电材料实现波浪能与电能的转换。这种结构使波浪与结构的相互作用达到最大但是，结构较复杂，只适用于特定水域。并且压电薄膜寿命较短，不利于长期水上作业。

图2-1^[1]

10为垂荡体，其上下运动拉动薄膜压电材料发电

Taylor^[4]利用水流中的涡流导致的压电材料两侧压力不等从而拉伸压电材料达到发电的目的。其基于的理论为水流经过障碍物时发生流体分离形成漩涡，在障碍物后方的材料两侧受力不等会发生变形^[5]，如图2-2和图2-3所示。

图2-2^[4] 图2-3^[4]

Tang等人^[6]的研究证明种方案对河流环境要求较高，须达到临界值才可以产生激振。

Murray和Rastegar^[11]提出的新型采集方案如图2-4所示。该方案由两级系统组成，一级是由海洋波浪与浮子相互作用输入低频振动；二级是浮子激励连有压电材料的刚性杆使其在固有频率下振动进而达到增频的目的。由于浮子与刚性杆接触时间极端，压电材料大多数时间实在高频下振动因而具有较高的转换效率。而且本方案对海洋环境要求不高，几乎可用于所用海洋条件下，具有良好的适应性。

图2-4^[11]

（2）确定压电发电装置的增频与结构设计方案；

图2-5

压电振子包括固有频率较高的基板和附着其上的压电材料，

振子上有齿条在波浪驱动下在导向杆上做上下运动，通过传动装置驱动拨杆将振子的上下运动转换为拨杆的周向运动拨动压电振子使其在近固有频率下振动从而带动压电材料在较高的频率下将波浪能转换为电能

本设计的主要内容是基于增频法设计一种高效的增频机构，提高压电发电转换效率，增频法基于Murray和Rastegar^[11]的新型方案，增频装置简图如图2-5所示。海洋波浪频率低（0.3~1Hz），通过吸收海洋低频波浪振动使振子上下振动，振子上的齿条将与传动装置啮合将上下运动转换为周向运动从而驱动拨杆拨动贴有压电材料的压电振子使其在近固有频率下振动，进而实现将低频海洋波浪转化为高频激励振动，实现高频驱动压电发电，从而提高海洋波浪能量转换效率。

（3）建立压电发电装置的三维模型

压电发电装置的结构主要包括三大部分：一是第一级俘获波浪能的振子系统，该系统包括振子、齿条和导向杆，振子在导向杆上上下运动，齿条固定在振子上与传动装置啮合；二是传动装置，该装置将振子的上下运动转换为拨杆的周向运动；三是压电振子阵列，阵列以导向杆为中心沿圆周分布。除此之外还有结构的外壳，为内部结构提供支撑和保护。

（4）分析压电发电装置非线性振动（振动强度/振动振幅）与发电特性之间的关系；

压电振子上压电材料的长度影响了其与基板的长度相对值从而影响压电振子的一阶固有频率；压电振子间的距离会影响可以驱动压电振子的最小振幅 ；压电振子拨杆之间的交叠长度（基板的变形程度）会影响压电振子的振幅进而影响压电材料的发电量。波浪周期、波浪高度等也会对发电功率产生影响。

（5）整理资料，完成毕业论文，准备好答辩的工作；

（6）完成毕业论文的答辩工作；

拟采用的技术方案：

（1）确定基本尺寸利用UG建立三维模型；

由于本装置定位为小型海上供电装置，因此整体结构较小，结构整体尺寸不超过250*250*250；确定模型后导出必要的二维图。

（2）分析在海浪正弦波作用下，振子的运动响应；

海浪波动振幅大周期长，本研究假设海浪波为振幅和周期一定的正弦波，利用ANSYS分析在正弦波输入情况下振子的运动响应，这是进行发电特性分析的基础。

（3）利用ANSYS分析发电装置非线性振动与发电特性的关系；

分析不同压电材料长度对发电功率的影响；

分析不同压电振子间距对发电功率的影响；

分析压电振子与拨杆之间的交叠长度对发电功率的影响。

分析波浪周期对发电功率的影响；

分析波浪高度对发电功率的影响；

分析以上参数并讨论优化方案。

技术路线图如下：

3. 研究计划与安排

（1）第1-3周，调研收集分析有关资料，了解原理与要求，对文献进行初步学习，翻译有关外文资料，总体方案构思，并完成开题报告。

（2）第4-6周，对新型弹性柱海上波浪能发电装置进行结构设计及三维建模，探讨波浪能捕获结构非线性振动（振动强度/振动振幅）与输出电压之间的关系，

（3）第7-12周，探讨参数对能量转换效率的影响规律，提出改进方案；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]burn j r. ocean wave energy conversion using piezoelectric material members,august 11,1987.us patent 4,685,296

[2]刘先曙，用海浪使压电材料发电，科技导报，1995，（6）：46-46

[3]epstein m y. piezoelectric generation of electrical power from surface waves on bodies of water using suspended weighted members,november 26,1996.us patent 5,578,889.