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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的開(kāi)發(fā)研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡(jiǎn)介：
- 海洋波浪能利用時(shí)新能源開(kāi)發(fā)的重要方向，本作品通過(guò)對(duì)大量國(guó)內(nèi)外資料的調(diào)研，對(duì)波浪能轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了進(jìn)一步研究。 在這一領(lǐng)域目前國(guó)內(nèi)已有一定得研究，本文充分了解前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析，并著重利用數(shù)值模型對(duì)各種可能影響其轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行了研究。取得了卓有成效的成果，并在此基礎(chǔ)上提出了我國(guó)周邊海域下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，有利于我國(guó)波能利用的推廣。
- 詳細(xì)介紹：
- 波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為固定式和漂浮式兩類，擺式波能轉(zhuǎn)換裝置屬固定式，它利用一個(gè)水室聚波形成立波，懸掛其內(nèi)的擺板做吸能載體隨波浪運(yùn)動(dòng)而前后擺動(dòng)，擺板的擺動(dòng)帶動(dòng)液壓泵，驅(qū)使發(fā)電機(jī)發(fā)電。相較于其他裝置，擺式波能裝置有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好，能夠較好地適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境，波能轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)點(diǎn)。 國(guó)外對(duì)擺式波能發(fā)電裝置進(jìn)行了一些研究，最為典型的是日本，日本室蘭工業(yè)大學(xué)于1983年在北海道室蘭附近的內(nèi)浦灣建造了一座裝機(jī)容量為5kW的推擺式波力電站[3]。在國(guó)內(nèi)也建有該形式的發(fā)電裝置，中國(guó)國(guó)家海洋技術(shù)研究所研制的坐落于山東大管島30kW擺式波力電站于1999年6月開(kāi)始實(shí)施海況試驗(yàn)[4]，但總體研究仍不夠廣泛與深入，特別是核心的波能轉(zhuǎn)換效率所受影響因素與變化規(guī)律了解較模糊，為此，筆者利用大型非線性有限元軟件ADINA建立海水與擺板相互作用的影響因素，側(cè)重對(duì)波況因素和擺板結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行研究，以期找到提高波能轉(zhuǎn)換效率的可行方案，并綜合考慮我國(guó)各大海域?qū)嶋H波浪情況等因素，最終為其大規(guī)模工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)及相關(guān)合理化建議。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本文以擺式波能發(fā)電裝置為基礎(chǔ)，通過(guò)搜集國(guó)內(nèi)外相關(guān)論文資料了解該裝置的相關(guān)應(yīng)用情況和已有成果，運(yùn)用ADINA軟件建立裝置的數(shù)值模型，進(jìn)行流固耦合實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變裝置和波況的各種參數(shù)，分析擺式波能發(fā)電裝置各影響因素對(duì)發(fā)電效率的影響，提供最優(yōu)形式裝置的應(yīng)用參數(shù)，為其推廣提供參考。我們還制作了一個(gè)該裝置的簡(jiǎn)單物理模型，成功發(fā)電，證明了該裝置有較好的發(fā)電前景。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 我們搜集了大量前人的研究資料，并利用已得到前人物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值模擬方法進(jìn)行本項(xiàng)目的研究，保證了研究方法的正確性。所進(jìn)行試驗(yàn)分析的ADINA軟件在流固耦合方面功能強(qiáng)大，保證了最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本作品考慮波高、波長(zhǎng)和水深等波浪因素和裝置擺腹、擺板距后墻距離、負(fù)載、板厚等結(jié)構(gòu)自身因素，非常全面的分析各因素的影響效果。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 為解決能源供應(yīng)在社會(huì)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，尋找替代的可再生能源已成為全球的共識(shí)。擺式波能發(fā)電裝置利用清潔的波能通過(guò)擺板的擺動(dòng)帶動(dòng)液壓泵，驅(qū)使發(fā)電機(jī)發(fā)電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性好。我們對(duì)波況因素和擺板結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行研究，并綜合考慮我國(guó)各大海域?qū)嶋H波浪情況等因素，找到了提高波能轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)其應(yīng)用推廣，這對(duì)開(kāi)發(fā)沿海地區(qū)與島嶼的資源、維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益、解決全球性能源危機(jī)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 擺式波能轉(zhuǎn)換裝置是一種將波浪能轉(zhuǎn)換為電能的簡(jiǎn)單發(fā)電裝置，轉(zhuǎn)換效率是反映其工作性能的主要指標(biāo)。基于假設(shè)流體具有一定粘性，擺板為一剛性體，采用大型非線性有限元軟件ADINA建立二維有限元模型，模擬流體與擺板相互接觸的流固耦合作用，從水深、周期、波高、擺腹長(zhǎng)度、擺板厚度、擺板距后墻的距離、荷載等多角度研究影響擺式波能轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換效率的因素及其影響規(guī)律，并確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。結(jié)果表明：所研究的各因素對(duì)轉(zhuǎn)換效率有較規(guī)律的影響，通過(guò)取各因素的最優(yōu)值所給出的最優(yōu)結(jié)構(gòu)可較大幅度提高轉(zhuǎn)換效率。
獲獎(jiǎng)情況
- 本項(xiàng)目以學(xué)院最高分通過(guò)第三期國(guó)創(chuàng)終審 已向《中國(guó)港灣建設(shè)》期刊投稿，正在等待審核
鑒定結(jié)果
- 情況屬實(shí)
參考文獻(xiàn)
- [1]薛鴻超，海岸及近海工程，北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2003. [2]蔣秋飚，鮑獻(xiàn)文，韓雪霜，我國(guó)海洋能研究與開(kāi)發(fā)述評(píng)，海洋開(kāi)發(fā)與管理，2008，25（12）：22-29. [3]Tomiji WATABE,Hideo KONDO,and Kenji YANO.Wave Power Extraction at Coastal Structures by Means of Pendulor System(The First Experimental Operation of the Plant at Muroran-Port). JSME International Journal,52-477, B(1986), 2267-2274. [4]呂曰恒，我國(guó)建成 30kW 擺式波力電站，海洋信息，2000，（03）：31. [5]王彥龍，波浪發(fā)電裝置博能轉(zhuǎn)換效率數(shù)值模擬研究：[碩士學(xué)位論文]，天津，2009. [6]劉臻，岸式振蕩水柱波能發(fā)電裝置的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究：[博士學(xué)位論文]，中國(guó)海洋大學(xué)，2008. [7]高學(xué)平，張效先，水利學(xué)，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.
同類課題研究水平概述
- 英國(guó)對(duì)開(kāi)發(fā)波浪能研究的重視使其在 20 世紀(jì) 80 年代初就已成為世界波浪能研究中心。于 1990 年和 1994 年分別在蘇格蘭伊斯萊島和奧斯普雷建成了75kW 和 2 萬(wàn)千瓦振蕩水柱式和固定式岸基波力電站。它的波浪發(fā)電技術(shù)居世界領(lǐng)先地位，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。 挪威 1985 年在卑爾根島上相繼建成振蕩水柱式和聚波能流式兩座不同形式的岸式波力電站。其裝機(jī)容量分別為 500kW 和 350kW，均取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。挪威的岸式波力電站技術(shù)已向商品化發(fā)展并打入國(guó)際市場(chǎng)。印尼、美國(guó)、葡萄牙均與挪威簽訂了協(xié)議。 日本的波浪能研究與開(kāi)發(fā)也十分活躍。從 20 世紀(jì) 80 年代中期至今，日本已建成 4 座岸基固定式和防波堤式波力電站，單機(jī)容量為 40～125kW。 我國(guó)有組織的對(duì)波浪發(fā)電的研究系自 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始。1975 年，上海進(jìn)行了我國(guó)波浪裝置的海上首次試驗(yàn)，但未取得科學(xué)上和實(shí)用上的收獲。如今，波浪發(fā)電研究已由上海擴(kuò)展到大連、青島、廣州、南京等地。20 世紀(jì)末期我國(guó)開(kāi)始研制 30kW 和 100kW 波浪發(fā)電裝置。 對(duì)于波能發(fā)電裝置，目前各國(guó)研制的多半是用于航標(biāo)燈、浮標(biāo)等電源使用的小型波能發(fā)電裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有數(shù)千座該類波力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)，僅日本就有 1500 多座在使用中，我國(guó)也有 500 臺(tái)左右該類裝置已被投入到實(shí)際運(yùn)行中。目前，波能轉(zhuǎn)換裝置理論已基本建立，研究課題主要集中在幾種較佳的方案上，如漂浮式波力發(fā)電裝置、沿岸固定式波力發(fā)電裝置、近岸固定式波力發(fā)電 裝置、聚波式波力發(fā)電裝置、推擺式波力發(fā)電裝置等。 鑒于波浪能利用在成本及其技術(shù)方面仍難以和常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)，波力發(fā)電裝置在近期內(nèi)還不能得到廣泛推廣。但在某些不便利用常規(guī)能源的地區(qū)，波力發(fā)電就顯示出了其特有的優(yōu)越性和生命力。隨著海洋開(kāi)發(fā)向離岸及縱深發(fā)展，海洋能可為將來(lái)的海上工程作業(yè)提供便利的電力，解決離岸用電問(wèn)題。目前開(kāi)發(fā)波浪能發(fā)電的首要任務(wù)是依靠海岸工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步以大幅度提高波浪能的利用率和盡可能的降低工程造價(jià)。隨著波力發(fā)電中某些關(guān)鍵技術(shù)的逐步解決，波力發(fā)電必將在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。
