基本信息
- 项目名称：
- 摆式波能转换装置的开发研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 海洋波浪能利用时新能源开发的重要方向，本作品通过对大量国内外资料的调研，对波浪能转换转换装置转换效率进行了进一步研究。 在这一领域目前国内已有一定得研究，本文充分了解前人研究成果的基础上，对摆式波能转换装置的转换效率进行分析，并着重利用数值模型对各种可能影响其转换效率的因素进行了研究。取得了卓有成效的成果，并在此基础上提出了我国周边海域下的最优结构形式，有利于我国波能利用的推广。
- 详细介绍：
- 波浪能转换装置可分为固定式和漂浮式两类，摆式波能转换装置属固定式，它利用一个水室聚波形成立波，悬挂其内的摆板做吸能载体随波浪运动而前后摆动，摆板的摆动带动液压泵，驱使发电机发电。相较于其他装置，摆式波能装置有成本低，结构简单，安全性好，能够较好地适应恶劣的海洋环境，波能转换效率较高等优点。 国外对摆式波能发电装置进行了一些研究，最为典型的是日本，日本室兰工业大学于1983年在北海道室兰附近的内浦湾建造了一座装机容量为5kW的推摆式波力电站[3]。在国内也建有该形式的发电装置，中国国家海洋技术研究所研制的坐落于山东大管岛30kW摆式波力电站于1999年6月开始实施海况试验[4]，但总体研究仍不够广泛与深入，特别是核心的波能转换效率所受影响因素与变化规律了解较模糊，为此，笔者利用大型非线性有限元软件ADINA建立海水与摆板相互作用的影响因素，侧重对波况因素和摆板结构尺寸对转换效率的影响进行研究，以期找到提高波能转换效率的可行方案，并综合考虑我国各大海域实际波浪情况等因素，最终为其大规模工程应用提供实验依据及相关合理化建议。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本文以摆式波能发电装置为基础，通过搜集国内外相关论文资料了解该装置的相关应用情况和已有成果，运用ADINA软件建立装置的数值模型，进行流固耦合实验，通过改变装置和波况的各种参数，分析摆式波能发电装置各影响因素对发电效率的影响，提供最优形式装置的应用参数，为其推广提供参考。我们还制作了一个该装置的简单物理模型，成功发电，证明了该装置有较好的发电前景。
科学性、先进性及独特之处
- 我们搜集了大量前人的研究资料，并利用已得到前人物理实验验证的数值模拟方法进行本项目的研究，保证了研究方法的正确性。所进行试验分析的ADINA软件在流固耦合方面功能强大，保证了最终实验结果的准确性。本作品考虑波高、波长和水深等波浪因素和装置摆腹、摆板距后墙距离、负载、板厚等结构自身因素，非常全面的分析各因素的影响效果。
应用价值和现实意义
- 为解决能源供应在社会发展的瓶颈问题，寻找替代的可再生能源已成为全球的共识。摆式波能发电装置利用清洁的波能通过摆板的摆动带动液压泵，驱使发电机发电，结构简单、安全性好。我们对波况因素和摆板结构尺寸对转换效率的影响进行研究，并综合考虑我国各大海域实际波浪情况等因素，找到了提高波能转换效率的最优结构，推动其应用推广，这对开发沿海地区与岛屿的资源、维护我国海洋权益、解决全球性能源危机有重要的现实意义。
学术论文摘要
- 摆式波能转换装置是一种将波浪能转换为电能的简单发电装置，转换效率是反映其工作性能的主要指标。基于假设流体具有一定粘性，摆板为一刚性体，采用大型非线性有限元软件ADINA建立二维有限元模型，模拟流体与摆板相互接触的流固耦合作用，从水深、周期、波高、摆腹长度、摆板厚度、摆板距后墙的距离、荷载等多角度研究影响摆式波能转换装置转换效率的因素及其影响规律，并确定最优结构形式。结果表明：所研究的各因素对转换效率有较规律的影响，通过取各因素的最优值所给出的最优结构可较大幅度提高转换效率。
获奖情况
- 本项目以学院最高分通过第三期国创终审 已向《中国港湾建设》期刊投稿，正在等待审核
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- [1]薛鸿超，海岸及近海工程，北京：中国环境科学出版社，2003. [2]蒋秋飚，鲍献文，韩雪霜，我国海洋能研究与开发述评，海洋开发与管理，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]吕曰恒，我国建成 30kW 摆式波力电站，海洋信息，2000，（03）：31. [5]王彦龙，波浪发电装置博能转换效率数值模拟研究：[硕士学位论文]，天津，2009. [6]刘臻，岸式振荡水柱波能发电装置的试验及数值模拟研究：[博士学位论文]，中国海洋大学，2008. [7]高学平，张效先，水利学，北京：中国建筑工业出版社，2006.
同类课题研究水平概述
- 英国对开发波浪能研究的重视使其在 20 世纪 80 年代初就已成为世界波浪能研究中心。于 1990 年和 1994 年分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成了75kW 和 2 万千瓦振荡水柱式和固定式岸基波力电站。它的波浪发电技术居世界领先地位，并实现了商业化。 挪威 1985 年在卑尔根岛上相继建成振荡水柱式和聚波能流式两座不同形式的岸式波力电站。其装机容量分别为 500kW 和 350kW，均取得良好的经济效益。挪威的岸式波力电站技术已向商品化发展并打入国际市场。印尼、美国、葡萄牙均与挪威签订了协议。 日本的波浪能研究与开发也十分活跃。从 20 世纪 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电站，单机容量为 40～125kW。 我国有组织的对波浪发电的研究系自 20 世纪 70 年代开始。1975 年，上海进行了我国波浪装置的海上首次试验，但未取得科学上和实用上的收获。如今，波浪发电研究已由上海扩展到大连、青岛、广州、南京等地。20 世纪末期我国开始研制 30kW 和 100kW 波浪发电装置。 对于波能发电装置，目前各国研制的多半是用于航标灯、浮标等电源使用的小型波能发电装置。据统计，全世界约有数千座该类波力发电装置在运转，仅日本就有 1500 多座在使用中，我国也有 500 台左右该类装置已被投入到实际运行中。目前，波能转换装置理论已基本建立，研究课题主要集中在几种较佳的方案上，如漂浮式波力发电装置、沿岸固定式波力发电装置、近岸固定式波力发电 装置、聚波式波力发电装置、推摆式波力发电装置等。 鉴于波浪能利用在成本及其技术方面仍难以和常规能源相竞争，波力发电装置在近期内还不能得到广泛推广。但在某些不便利用常规能源的地区，波力发电就显示出了其特有的优越性和生命力。随着海洋开发向离岸及纵深发展，海洋能可为将来的海上工程作业提供便利的电力，解决离岸用电问题。目前开发波浪能发电的首要任务是依靠海岸工程领域的技术进步以大幅度提高波浪能的利用率和尽可能的降低工程造价。随着波力发电中某些关键技术的逐步解决，波力发电必将在能源结构中占据重要位置。
