固定方位式海洋监测浮标能量收集装置的设计与研究

发布时间：2020-05-07 05:42

【摘要】：海洋监测浮标是进行海洋观测,获得海洋参数的重要工具。传统海洋浮标单纯采用蓄电池来进行能量供给,存在工作寿命较短,更换电池不方便等缺点。利用可再生能源,延长浮标在海上工作寿命,是目前众多研究者关心的问题。本文提出了一种位于浮标内部的能量收集装置,可以收集浮标在海面上摇晃过程中的动能,并以液压能的形式储存在浮标内。当浮标受风浪影响需要调整其朝向时,可将该部分能量释放出来,驱动浮标朝向回转机构动作,调整浮标朝向,从而达到减小浮标电池能量消耗,延长浮标一次工作寿命的目的。本文首先通过实验得到了浮标在四级海况下的摇晃运动方程,完成了浮标能量收集装置机械结构和液压回路的设计,并阐述了该能量收集装置将浮标动能转化为液压缸机械能,再转化为蓄能器内液压能的能量转换过程以及该装置的基本工作原理。随后,本文通过CFD数值模拟的方法,对能量收集装置内的摆板在水舱计算域流场中的摆动情况进行了仿真研究,通过仿真结果得到摆板运动功率及能量俘获效率两个参数,表明该装置中的摆板具有一定的能量俘获功能。随后通过网格独立性验证和实验验证,证明摆板摆动情况仿真结果的可靠性。本文进一步通过改变摆板材质,水舱液面高度,浮标摇晃方向及运动状态等参数,分析不同参数的变化对摆板摆动幅值及功率的影响,得到摆板具有最佳摆动功率及幅值时的参数。然后,本文对浮标能量收集装置内的液压系统进行研究。通过AMESim软件完成液压仿真,确定满足实际工况要求时的液压元件基本参数,并得到液压马达对浮标朝向回转执行机构的输出转矩和转动角度。之后,根据本文设计的液压系统,计算得到液压缸对摆板的实际负载阻力,并根据该阻力对摆板在流场中的摆动情况重新进行仿真,得到摆动在实际负载阻力下的摆动幅值和摆动时间。最后,本文搭建该能量收集装置水舱及摆板的实际模型。通过六自由度平台模拟浮标在海面上的摇晃,得到摆板在流场中受到的阻力矩,从而通过实验验证本文提出的浮标能量收集装置可以有效俘获浮标摇晃产生的能量。
【图文】：

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逦Ｊ逡逑图ｌ－３邋ＭＭＰ样机逦图１－４邋Ｓｅａｈｏｒｓｅ样机逡逑波浪浮标是专门用于波浪参数观测的浮标，绝大部分波浪浮标都采用球形标体，以具逡逑备很好的随波性。波浪观测是海洋环境观测的重要参数之一，也是海洋环境观测的难点之逡逑一。当前代表波浪观测最高水平的浮标是荷兰Ｄａｔａｗｅｌｌ公司的波浪骑士以及加拿大ＡＸＹＳ逡逑公司的波浪浮标［１８］。逡逑Ｈｉｉ逦ｊ逡逑图１－５波浪浮标逡逑海气通量观测浮标是用于观测大气和海洋之间能量和水的相互运动和交换过程，对全逡逑球气候变化和预报及大气环流研究等领域具有重要作用和意义，主要观测风速、风向、温逡逑度、湿度、压强、长短波辐射、降雨等参数［１９］，其中的代表成果是美国伍兹霍尔海洋研究逡逑所（ＷＨ０Ｉ）的邋ＡＳＩＭＥＴ（Ａｉｒ－Ｓｅａ邋Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ＭＥＴｅｏｒｏｌｏｇｙ）系统以及迈阿密大学的逡逑ＡＳＩＳ（Ａｉｒ＿Ｓｅａ邋Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋Ｓｐａｒ）系统［２°、核福射监测浮标方面，２００５年希腊利用浮标搭逡逑载３个Ｎａｌ晶体能谱仪检测海水中Ｙ射线能谱，实现了海洋辐射在线原位监测［２１＿２２］。逡逑总的来说

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公司的波浪浮标［１８］。逡逑Ｈｉｉ逦ｊ逡逑图１－５波浪浮标逡逑海气通量观测浮标是用于观测大气和海洋之间能量和水的相互运动和交换过程，对全逡逑球气候变化和预报及大气环流研究等领域具有重要作用和意义，主要观测风速、风向、温逡逑度、湿度、压强、长短波辐射、降雨等参数［１９］，其中的代表成果是美国伍兹霍尔海洋研究逡逑所（ＷＨ０Ｉ）的邋ＡＳＩＭＥＴ（Ａｉｒ－Ｓｅａ邋Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ＭＥＴｅｏｒｏｌｏｇｙ）系统以及迈阿密大学的逡逑ＡＳＩＳ（Ａｉｒ＿Ｓｅａ邋Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋Ｓｐａｒ）系统［２°、核福射监测浮标方面，２００５年希腊利用浮标搭逡逑载３个Ｎａｌ晶体能谱仪检测海水中Ｙ射线能谱，实现了海洋辐射在线原位监测［２１＿２２］。逡逑总的来说，国外海洋技术强国的海洋浮标观测技术技术先进、功能齐全，大部分都已逡逑经处于长期业务化运行阶段，，具有观测精度高、长期稳定性好、功能齐全、功耗低等特点。逡逑４逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P715.2

【参考文献】