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海浪发电机设计
燕山大学机械工程学院
《机械设计学》项目汇报
——海浪发电系统
班级:
09 级机设 2 班
小组成员:
冯品、乔旋、柏迎村
余超、金福生、魏智利
指导教师:
姜世平
09 级机设 2 班
一. 研究背景……………………………………………2
二. 研究历史……………………………………………2
三. 研究现状……………………………………………3
四. 功能分析……………………………………………4
五. 两种方案结构设计…………………………………4
5.1、方案一结构设计 ……………………………………4
5.2、方案一结构设计 ……………………………………7
六. 方案比较及评估……………………………………7
七. 总结感言……………………………………………8
八. 参考文献……………………………………………8
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一、研究背景
辽阔浩瀚的海洋,不仅使人心旷神怡,而且使人迷恋和陶醉。
然而,大海最诱人的地方,还在于它蕴藏着极为丰富的自然资源和
巨大的可再生能源。
那波涛汹涌的海浪;一涨一落的潮汐;循环不
息的海流;不同深度的水温;河海水交汇处的盐度差……都具有可
以利用的巨大能量。
另外,从占地球表面积约 70%的海水中,还可
以取得丰富的热核燃料和氢。
海洋能主要来源于太阳能。
它的分布地域广阔,能量比较稳定,
而且变化有一定规律,可以准确预测。
例如,海水温差和海流随季
节而变化,而潮汐的变化则具有一定的周期性。
我国海洋能资源非常丰富,而且开发利用的前景十分广阔。
全
国大陆海岸线长达一万八千多公里,还有五千多个岛屿,其海岸线
长约一万四千多公里,整个海域达 490 万平方公里。
如果将我国的
海洋能资源转换为有用的动力值,至少可达 1.5 亿千瓦,相当于目
前我国电力总装机容量的两倍多。
在海洋能的开发利用方面,当前
我国还仅仅处于起步阶段,一些沿海地区先后研制成了各种试验性
的发电装置,并建成了试验性的潮汐电站,为今后进一步开发利用
海洋能源打下了初步的基础。
二、研究历史
1964 年,日本研制成了世界上第一个海浪发电装置——航标灯。
虽然这台发电机发电的能力仅有 60 瓦,只够一盏灯使用,然而它却
开创了人类利用海浪发电的新纪元。
利用海浪发电,既不消耗任何燃料和资源,又不产生任何污染,
因而是一种干净的发电技术。
这种不占用任何土地,只要有海浪就
能发电的方法,特别适合于那些无法架设电线的海岛使用。
70 年代末期,日本研制成了一种大型海浪能发电船,并进行了
海上试验。
它能发出 100~150 千瓦的电能,而且具有远离海岸的电
力传输装置。
这艘发电船通常停泊在离岸三千米的海上,船长 80 米,
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宽 12 米,总重 500 吨,停泊海域的水深 42 米,在船的内室里,安
装了几台海浪发电装置。
英国 90 年代初期在苏格兰建成了一座发电能力为 75 千瓦的海
浪发电站。
英国是继挪威、日本之后利用海浪发电的第三个国家。
英国的爱丁堡大学正在研制五万千瓦的海浪发电装置,而且还将在
海岸以外的海面上建造海浪能发电站。
挪威的科学家大胆提出用人
力制造大的波浪来进行发电;这将使海浪发电的研究试验工作进入
一个新阶段。
三、研究现状
目前,世界各国有关海洋能源的研究和利用还处于初始阶段,
因而海洋能属于有待开发利用的新能源。
其中,对于潮汐能的开发
技术比较成熟,已进入技术经济评价和工程规划阶段;波浪能的利
用处于试验研究阶段;海洋热能的利用正在进行工程性研究;海流
和盐度差能的利用,仅处于原理研究阶段。
如今,最为成熟的海浪发电机由英国 Checkmate 海洋能源公司
设计,是一种类似蟒蛇的大型发电设备,由橡胶而不是钢铁制成。
“巨蟒”实际上是一根装满水的管子,当海浪在上方经过对其产生
挤压时,内部可产生一个“向外膨胀的波浪”,波浪在到达尾端时
可带动发电机发电
图一、“蟒蛇”海浪发电机图二、“蟒蛇”海浪发电机原理图
厂
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四、功能分析
1、海浪发电的实质
利用海浪上下起伏的动力,通过某一装置将其动能转化为电能。
2、海浪发电所需解决的关键问题及思考
a、海浪能量分布范围广,能量密度小,所以需要若干个小型设
备同时收集海浪的能量;
b、从各个小型设备收集的能量不易集中,需要某一特殊装置将
这些的分散的能量加以集中利用,并作用同一台发电机上,以降低
设备成本;
c、对设备的抗海水腐蚀、抗海水击打、较好的耐久性以及可靠
性要求较高。
这使得海浪发电装置在总体上必须达到以下三点要求:
1、结构简单2、可靠性高3、便于维修。
五、两种方案结构设计
5.1、方案一结构设计
图三、方案一结构简图
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1)原理介绍
[1]浮球通过连杆将海浪上下起伏的动力传递给[2]压气筒,[2]
压气筒将空气压入[4]储气室,[3]安全阀用于控制储气室压力,以
免[4]储气室内压力过大造成危险,当[4]储气室内压力达到一定值
后,[5]气阀迅速开启,此时[4]储气室里的空气向外释放并推动[6]
叶轮高速旋转,[6]叶轮的轴输出动力并经过[7]调速器传递给[8]发
电机,最后[8]发电机发的电能通过导线储存在蓄电池中。
2)部分装置详细介绍
发电装置所产生的电能,最终将以化学能的形式储存在蓄电池
中,但蓄电池的充电电压必须维持在某一范围之内,若发电机发出
的电压小于蓄电池充电电压的最小值,则电能无法充进蓄电池,则
会造成能量的浪费;若发电机发出的电压超过蓄电池充电电压的最
大值,则会损坏蓄电池。
所以必须通过某一装置,让发电机产生的
电压维持在某一范围之内,也就是让发电机转子得到在一定范围内
的转速。
为实现上述功能,使用如下装置[5]气阀和装置[6]调速器:
a、气阀:
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图四、气阀快速开启/关闭装置
设弹簧的预紧力为 F,当气室里的压强值为 P=Pmax 时,有
F=Pmax*S1,当气室里压强再稍微增大一点时,滑块向上移动,此时
气体作用的有效面积由 S1 增大为 S2,气体压强虽然会降到 P0,但
仍然会有 P0*S2>F,滑块则会迅速的上移一段距离 h,但气室里气体
压强减小到 P=Pmin 时,有 F=Pmin*S2,此时,滑块一旦接触到进气
口,气体作用有效面积由 S2 减小到 S1,有 F>>Pmin*S1,则滑块会紧
紧压住进气口。
如此,该气阀则实现了当气室里的气压值达到 Pmax
时,气阀迅速开启,高压空气则推动叶轮高速旋转,当气室气压值
减小到 Pmin 时,气阀迅速关闭,空气停止对外做工。
添加此气阀的
目的在于,不用电控仅通过机械装置使作用在叶轮上的空气一直是
高压气体,从而让叶轮的转速维持在一个稳定的范围之内,以让发
电机产生一定电压范围内的电能,以便于储存能量,也避免了能量
的浪费。
b、调速器:
当转轴高速旋转时,质量块会在
离心力的作用下使自身的旋转半径增
大,从而使调速器的转动惯量增加,
转动惯量的增加会使转轴的转速降低,
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同时调速器会储存能量;当转轴转速降低时,质量块的旋转半径减
小,调速器的转动惯量减小并释放能量,使转轴转速增加。
这样,通过装置[5]气阀和装置[6]调速器就使发电机的转
子获得了一定范围内的稳定转速。
图五、调速器
5.2 方案二结构设计
图六、方案一结构简图
原理介绍
[1]浮球通过连杆将海浪上下起伏的动力传递给[2]液压缸,[2]
液压缸的运动将[3]油箱中的液压油压入[4]液压室,[4]液压室的油
液升高,推动[9]活塞向上运动,由于[8]仪器设备等其它重物的压
力作用,使得液压室里的液压油压向[5]液压马达,液压马达的动力
经过[6]调速器调速后传递给[7]发电机,最后发电机发的电能通过
导线储存在蓄电池中。
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五、方案比较及评估
方案一以空气为动力介质,将海浪上下起伏的动能转化为叶轮
的转动的动能,其结构简单、质量轻、成本低,适用于小型的海浪
发电站。
方案二以液压油为动力介质,将海浪上下起伏的动能转化为液
压马达的动能,其转动力矩大、传递效率高、运行平稳、使用寿命
长,适用于大型海浪发电站。
六、总结感言
在本次机械设计学三级项目的开始,我们在图书馆和网站上查
阅了很多相关资料,在前人研究的基础之上,提出了自己的想法,
经过小组讨论,最终确定了两种应用于不同条件下的方案。
在完成
项目过程中,我们相互交流,相互学习,相互促进,从中体会到团
队合作力量的强大。
通过这次三级项目也让我们懂得团队之间合作
与信任的重要性,能够顺利完成这次三级项目,与小组成员之间的
紧密配合息息相关,同时与每个成员的努力都分不开。
最重要的是,
通过这次项目设计,我们学会了如何从实际角度而不仅是从理论角
度上思考问题,因为实践才是检验设计好坏的唯一标准,所以我们
必须考虑到各个方面带来的影响因素,将理论联系实际,以设计出
更好的产品。
七、参考文献
[1]黄靖远,高志,陈祝林 .机械设计学 [M].北京 :
机械工业 出版社,
2006-04.
[2]G. 帕尔 W. 拜茨 . 工程 设计学 学习与实践手册 [M]. 张直明等译,
北京 :
机械工业出版社, 1992-06.
[3]上海交通大学,新型多维并联摆动海浪发电装置[P].中国专 利:
102444537,2012-05-09
中
[4]许昌义,摇臂式海浪发电装置[P].国专 利:
201908773,2011-07-27
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[5]李昌海,一种高效海浪发电装置[P].中国专 利:
201705537,2011-01-
12
[6] 郑崇伟 .南海波浪能资源与其他清洁能源的优缺点比较研究 [N].亚热
带资源与环境学报,2011-09-01(3).
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