波浪能点吸收器结构设计与数值优化
发布时间：2021-07-27 00:37
无人海洋探测器作为开发海洋资源的重要装备,普遍缺乏高效可靠的供电方式。波浪能作为一种分布广泛的可再生海洋能,有望成为探测器的理想供电能源。波浪能的高能量密度特性有利于装置小型化,使其便于作为供电模块集成到无人海洋探测器。提出了一种基于反转自适应机理的新型波浪能点吸收器。该点吸收器可以实现叶片对水流的自适应偏转,并自动平衡装置的整体转矩。通过数值分析发现,点吸收器的功率和效率特性受吸收器叶片倾角、相对流速、转速及双层吸收器相互作用的影响很大,合理选择系统参数有助于优化装置的整体性能。试验桶及造波池试验分别验证了数值分析的准确性和工作原理的可行性。
【文章来源】：农业机械学报. 2018,49(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
点吸收器的概念图Fig．1Conceptualmapofpointabsorber无人海洋探测器系绳供电模块
?嫠?畹脑黾蛹本?衰减［19］。在一定深度下的海水是相对平静的，这为点吸收器提供了一种相对参考体。据此设计了一种可作为海洋探测器供电模块的新型波浪能点吸收器，如图1所示。当无人海洋探测器(比如水面航行器)漂浮于海面时，可以释放其供电模块(即波浪能点吸收器)到水面以下。点吸收器中的双层吸收器通过冲击静水产生旋转运动，驱动电机发电为水面航行器供电或蓄能。图1点吸收器的概念图Fig．1Conceptualmapofpointabsorber1．无人海洋探测器2．系绳3．供电模块如图2所示，该点吸收器主要包括水面浮体和水下能量摄取(Powertake-off，PTO)系统两部分，并通过系绳连接。由于点吸收器被集成到无人海洋探测器中，其水面浮体由探测器充当。水下PTO主要包括上下层吸收器、传动轴和内置减速器的小型发电机等。吸收器是PTO的核心，主要由内环、叶片和外环组成。内环和外环之间由径向布置的8根支撑轴连接。8片具有限位装置的扇形叶片被安装在相应的支撑轴上，采用中心对称的圆周阵列布置。图2点吸收器的结构图Fig．2Structurediagramofpointabsorber1．水面浮体2．系绳3．水下PTO4．小型发电机5．上层吸收器6．传动轴7．下层吸收器8．限位装置9．支撑轴10．叶片11．外环12．内环新型点吸收器基于反转自适应机理，工作原理如图3所示。①当水面浮体上升时，水下PTO受到系绳拖拽而上升，如图3a所示。上层吸收器叶片的上表面受水流冲击，自适应性下摆。叶片受限位装置限制在达到最大倾角后，停止下摆并呈倾斜状态。第9期孙崇飞等:波浪能点吸收器?
镀?。由于叶片是圆周阵列布置，上层吸收器逆时针旋转。同理，下层吸收器顺时针旋转。②当水面浮体处于波峰或波谷时，叶片处于偏转过程而无法提供推力，如图3b所示。吸收器由于惯性会保持一定转速。③当水面浮体下沉时，水下PTO受重力作用而下沉，如图3c所示。上层吸收器叶片的下表面受水流冲击，自适应性上摆，达到最大倾角后呈倾斜状态。水流继续冲击叶片，产生推力向前推动叶片。叶片的水平受力方向不变，上层吸收器保持逆时针旋转。同理，下层吸收器保持顺时针旋转。图3波浪能点吸收器的工作原理Fig．3Workingprinciplediagramsofwaveenergypointabsorber由点吸收器的工作原理可得:吸收器叶片可根据水流冲击方向自适应地调整叶片偏转方向，并保持单层吸收器的单向旋转。叶片布置方向相反的双层吸收器自动平衡PTO的整体转矩，并为发电机发电提供反向旋转运动。2能量转换过程及性能评估理论结合新型点吸收器的工作原理和性能特性的分析，分析其能量转换过程如图4所示。点吸收器通过水面浮体把波浪运动转换为线性运动形式的机械能，再通过双层吸收器将其转换为旋转运动形式的机械能，最终驱动发电机产生电能。当前关于水面浮体的研究较多［20］，在此不多做分析。PTO系统作为核心部件，主要由双层吸收器和小型发电机组成。图4能量转换过程Fig．4Energyconversionprocess点吸收器的能量转换过程分别涉及到浮体捕获效率ηcap、吸收器水力效率ηhyd和发电机发电效率ηgen。点吸收器的总效率η可以表述为η=ηcapηhydηgen(1)吸收器输入功率Pin可以用单位时间内吸收器水平截面通
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋能发电技术的发展现状与前景[J]. 游亚戈,李伟,刘伟民,李晓英,吴峰. 电力系统自动化. 2010(14)
[2]中国海洋资源现状及海洋产业发展趋势分析[J]. 楼东,谷树忠,钟赛香. 资源科学. 2005(05)
本文编号：3304699
【文章来源】：农业机械学报. 2018,49(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
点吸收器的概念图Fig．1Conceptualmapofpointabsorber无人海洋探测器系绳供电模块
?嫠?畹脑黾蛹本?衰减［19］。在一定深度下的海水是相对平静的，这为点吸收器提供了一种相对参考体。据此设计了一种可作为海洋探测器供电模块的新型波浪能点吸收器，如图1所示。当无人海洋探测器(比如水面航行器)漂浮于海面时，可以释放其供电模块(即波浪能点吸收器)到水面以下。点吸收器中的双层吸收器通过冲击静水产生旋转运动，驱动电机发电为水面航行器供电或蓄能。图1点吸收器的概念图Fig．1Conceptualmapofpointabsorber1．无人海洋探测器2．系绳3．供电模块如图2所示，该点吸收器主要包括水面浮体和水下能量摄取(Powertake-off，PTO)系统两部分，并通过系绳连接。由于点吸收器被集成到无人海洋探测器中，其水面浮体由探测器充当。水下PTO主要包括上下层吸收器、传动轴和内置减速器的小型发电机等。吸收器是PTO的核心，主要由内环、叶片和外环组成。内环和外环之间由径向布置的8根支撑轴连接。8片具有限位装置的扇形叶片被安装在相应的支撑轴上，采用中心对称的圆周阵列布置。图2点吸收器的结构图Fig．2Structurediagramofpointabsorber1．水面浮体2．系绳3．水下PTO4．小型发电机5．上层吸收器6．传动轴7．下层吸收器8．限位装置9．支撑轴10．叶片11．外环12．内环新型点吸收器基于反转自适应机理，工作原理如图3所示。①当水面浮体上升时，水下PTO受到系绳拖拽而上升，如图3a所示。上层吸收器叶片的上表面受水流冲击，自适应性下摆。叶片受限位装置限制在达到最大倾角后，停止下摆并呈倾斜状态。第9期孙崇飞等:波浪能点吸收器?
镀?。由于叶片是圆周阵列布置，上层吸收器逆时针旋转。同理，下层吸收器顺时针旋转。②当水面浮体处于波峰或波谷时，叶片处于偏转过程而无法提供推力，如图3b所示。吸收器由于惯性会保持一定转速。③当水面浮体下沉时，水下PTO受重力作用而下沉，如图3c所示。上层吸收器叶片的下表面受水流冲击，自适应性上摆，达到最大倾角后呈倾斜状态。水流继续冲击叶片，产生推力向前推动叶片。叶片的水平受力方向不变，上层吸收器保持逆时针旋转。同理，下层吸收器保持顺时针旋转。图3波浪能点吸收器的工作原理Fig．3Workingprinciplediagramsofwaveenergypointabsorber由点吸收器的工作原理可得:吸收器叶片可根据水流冲击方向自适应地调整叶片偏转方向，并保持单层吸收器的单向旋转。叶片布置方向相反的双层吸收器自动平衡PTO的整体转矩，并为发电机发电提供反向旋转运动。2能量转换过程及性能评估理论结合新型点吸收器的工作原理和性能特性的分析，分析其能量转换过程如图4所示。点吸收器通过水面浮体把波浪运动转换为线性运动形式的机械能，再通过双层吸收器将其转换为旋转运动形式的机械能，最终驱动发电机产生电能。当前关于水面浮体的研究较多［20］，在此不多做分析。PTO系统作为核心部件，主要由双层吸收器和小型发电机组成。图4能量转换过程Fig．4Energyconversionprocess点吸收器的能量转换过程分别涉及到浮体捕获效率ηcap、吸收器水力效率ηhyd和发电机发电效率ηgen。点吸收器的总效率η可以表述为η=ηcapηhydηgen(1)吸收器输入功率Pin可以用单位时间内吸收器水平截面通
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋能发电技术的发展现状与前景[J]. 游亚戈,李伟,刘伟民,李晓英,吴峰. 电力系统自动化. 2010(14)
[2]中国海洋资源现状及海洋产业发展趋势分析[J]. 楼东,谷树忠,钟赛香. 资源科学. 2005(05)
本文编号：3304699
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