陀螺浮子式海浪发电装置共振关键技术研究

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在科技不断创新和经济高速发展的今天,全球人们对电量的使用也在飞速的增长,仅仅依靠传统的发电方式已经不能满足人们持续增长的用电量需要。海洋能作为一种蕴藏丰富而且可再生的新能源可缓解能源短缺问题,同时发展海洋能对于社会的可持续发展具有重大意义。在此背景下,设计了一种陀螺浮子式海浪发电装置,该装置主要依据浮子在运动发电的时候与波浪发生共振的原理,从而使俘能装置充分的吸收波浪能,以提升发电效率。本论文的主要研究内容如下:首先对海浪发电装置在国内和国外的发展状况进行介绍,列举出了几种比较成熟的海浪发电装置并对它们的原理进行阐述,又根据发电方式的不同,将各个种类的海浪发电装置进行归纳总结,阐述不同类型海浪发电装置的发电原理并对其优缺点进行分析。在此基础上提出了一种基于共振原理的海浪发电装置即陀螺浮子式海浪发电装置,其共振系统结构的设计提高了波浪能到电能的转换效率。其次利用Solidworks进行三维实体建模,对发电装置的整体结构进行设计,装置中独特设计的弹簧和弹簧伸缩杆结构,不但可以为浮子提供振荡恢复力,而且还能调节装置的振幅。在此基础上又依据线性微幅波理论与傅汝德-克雷洛夫假定法对浮子振动系统所受到的波浪力进行具体求解,求解出了波浪势态函数和波压强;得到了浮子所受波浪力和运动响应,并求解了浮子的垂荡位移响应。然后,利用D-H方法对陀螺浮子振动机构进行了运动学分析。基于拉格朗日方程,得到了装置的动力学方程。再利用仿真软件ADAMS对振动系统进行动力学仿真,根据仿真结果得到浮子机构的运动规律。通过ANSYS对浮子壳体做了有限元分析并优化。最后对振动系统进行振动分析,对振动系统进行模型等效,得到了振动系统的数学模型,并求出共振系统的固有频率及各阶主振型。接着通过对共振系统的分析,得到共振系统的稳态解。根据共振理论,具体求解出弹簧的弹性系数k和系统阻尼系数ζ。建立系统的空间状态方程以及传递函数,并通过MATLAB仿真分析,能够清晰的看到振动系统振幅随激扰频率的变化情况。
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