第一章课程任务 3
第二章背景意义 3
第三章进度安排 4
第四章具体计算和设计 5
4.1 总体方案的确定 5
4.2 波浪参数的设定 8
4.3 装置大小及结构的确定 8
4.3.1 装置具体结构的确定 8
4.3.2 叶轮助推器设计要求 11
4.3.3 行星齿轮增数器的设计要求 12
4.3.4叶轮的设计要求 14
第五章总结 16
波浪能发电装置是将海洋中波浪的动能和势能转化为电能的装置。它通常由收集装置、转化装置和发电装置组成，因此波浪能发电通常要经过三次转换。第一级为采集装置，第二级为中间转换装置，它主要用来优化第一级转换，产生足够且稳定的能量。
第三极为发电装置，将第二级的能量转化成电能。
本课程波浪发电方案中的装置设计分为三大部分：一是整体方案选择及结构设计。二、叶轮助推器与叶轮结构设计。
三、行星齿轮增数器设计。本文主要涉及第一大部分，要求比较国内外成功的波浪发电方案并最终提出合理可行的方案。设计其结构，力求使其发电功率达到20kw，发电效率达到35%以上。
过去人类文明的不断进步，现代社会的快速发展和世界经济的现代化，均得益于化石能源，即石油、天然气、煤炭的广泛应用，社会对能源的需求不可遏止地猛增。地球上的能源消耗正在以惊人的速度增长，20世纪消耗的全部能源几乎等于前19个世纪所消耗的能源的一半。人类过分地开采和使用化石燃料等自然资源，使得地球上的化石能源的储量正在急剧减少。
而且，由于大量使用这些化石燃料，已经使地球的环境受到严重的污染，造成酸雨、气候变暖等一系列环境问题。
一旦化石能源**不足，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，如果人类未能在短期内找到新的可再生能源来替代化石能源，必将葬送现代经济。
因此开发新能源，迫在眉睫。过去的二十几年，各国**已经投入了大量的人力、物力开发新能源，也取得了相当的成果。太阳能、风能发电的技术已经相对成熟，而作为另一种潜力更大的新能源——海洋能的发电技术还有待完善。
海洋中蕴含的巨大能量，已经引起各国**相当的重视。
目前，全世界范围内有20多个国家参与波能发电研究领域，其中较领先的有英国、日本、瑞典和挪威等国。英国是目前全世界拥有最先进的波能发电技术的国家，其中属“海蛇”号（pelamis）最为有名。2024年又研制出一种新的波能发电装置取名为“水莽”号。
目前，英国正致力于气动透平的利用、原理波力发电机组、导航浮标的波力透平发电机组及小型波浪能转换器等的研究[2]。日本从上世纪50年代就开始波浪能的研究，60年代成为世界上第一个成功研制完成商业化波能产品的国家。“巨鲸”号（mighty whale）是日本最著名的一个波浪能利用装置，也是世界目前较先进的装置之一。
我国是一个拥有丰富海洋能的国家。**在处理能源危机方面，积极的开发新能源，出台了一系列的规划和政策。全国人大常委会在2024年12月28日的第13次会议首次分组审议《可再生能源法》草案，确定了中国对可再生能源发展战略总体目标，将可再生能源定义的范围界定为风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等，并对可再生能源的开发利用规定了一系列的政策扶持措施，为保障中国能源安全，支持经济社会的可持续发展，发挥重要的作用。
我国在“十五期间共投入经费435万，其中国家“十五”，“863”计划支持120万，中国科学院知识创新工程支持300万，广东省科技计划项目支持15万，由中国科学院广州能源研究所研制一座波浪能独立发电系统[1]。在最近的“十一五”规划中**提出，2024年可再生能源在能源消费中的比重应达到10%。国家***能源研究所副所长李俊峰在中国清洁能源国际峰会上表示，要实现2024年可再生能源比重达到10%的目标，将主要靠水电，水电可能要占到8%以上。
今年9月，***主席在联合国气候变化峰会上提出，中国将大力发展可再生能源和核能，争取到2024年非化石能源占一次能源消费比重达到15％左右。
2009.11.01-2009.11.15 提出并讨论方案，完成总体方案。
2009.11.16-2009.11.29 波浪参数的设定。
2009.11.30-2009.12.04 装置大小及结构确定。
2009.12.05-2009.12.20 收集装置参数要求。
2009.12.21-2009.01.03 行星齿轮增速器参数要求。
2009.01.04-2010.01.10 效率计算。
2010.01.11-2010.01.15 进行总结，完成课程设计报告。
从波浪能利用的提出至今已逾百年，对于采集系统（收集装置和中间装换转置）各国科学家提出了许许多多的方案，其中有点头鸭式、等高筏式、摆式、海蚌式、振荡水柱式、振荡浮子式、波浪聚集式等。然而早年提出的某些装置，如鸭式、海蚌式、等高筏式，由于其结构复杂且易损坏，在工程实践中渐渐的不再有人研究。目前，振荡水柱式、振荡浮子式、摆式和筏式与液压系统的组合式是国际公认较有发展前景的采集系统，对它们的研究十分的多。
振荡水柱式有漂浮式和固定式两种，分别见图1和图2。其工作原理都是利用海水压缩气室里的空气，然后压缩空气驱动威尔透平发电机工作。此种装置技术成熟，小功率已经成功商业化，但发电效率偏低。
其中的漂浮式建造方便，投放点机动以及对潮位变化有很好的适应性，但系泊和输电较困难。固定式建在岸上，输电比较容易但其要常年面对巨浪的冲击和海洋恶劣的气候环境，因此维护很困难，通常。
四、五年就报废不再工作。
振荡浮子式是目前提出的一个比较好的方案，结构如图3.。其工作原理是通过一个浮子吸收波浪能做上下运动，浮子下面系一个类似泵的装置，在浮子的运动下，泵压缩其中的介质（海水或液压油），然后经压缩的介质传送到岸上再推动发电装置发电。该装置将重要的发电设备安装在岛上，因而避免了重要设备在海上风暴天气被损坏的可能。
此种装置的建设和维护成本也相对其他方式的波能发电装置低，而效率在50%左右，因而这种装置与液压的组合具有良好的前景。
摆式发电装置也是最新提出的一个方案，结构见图4。该方案通过在海底安装一个叶片状浮体，当海浪经过时，浮体做前后摆动，将波浪能转化成摆轴的动能，与摆轴相连的是一个液压装置，靠摆轴的动能产生压缩介质，然后将介质输送到海岸上的发电设备，使其工作产生电能。此种装置发电效率高，但维护起来比较困难。
筏式与液压系统的组合式的典型例子就是英国海洋动力传递公司（ocean power delivery ltd）研制的“海蛇”号（pelamis），见图5。
除了上述波力发电装置外，聚波蓄能波浪转换装置（图6）也相当引人关注。其原理是使波浪通过喇叭形的收缩波道，将波浪的动能转化为势能，再像水电站一样发电。此种装置优点是，不依赖于第二介质，可靠性好，维护费用低且出力稳定。
据称转换效率在65%~75%之间，而且几乎不受波高和周期的影响。缺点是电站对地形的要求比较严格，因此不易推广。
本课程方案拟定一种浮子结构，以期最大程度减少装置对环境地形的要求，易于推广。动力**波浪直接驱动发电机发电，不依靠第二介质，以提高其发电效率，并增加其稳定性，降低维护成本。模块化设计，方便安装。
比较国内外的波浪方案，取各种方案的优点，最终本文确定此种方案，其工作原理如图7所示。
本装置分五大零部件，分别是浮体、上下叶轮助推器、增速器（叶轮）、发电机和蓄电池。浮体的作用主要是使装置下半部分（上下叶轮助推器、增速器和叶轮）浸在水下而不至于下沉，以及提供装置一个向上的浮力。当本装置向上运动时，上叶轮助推器进水口大，出水口小，出水流速急推动叶轮旋转，叶轮通过增速器连于发电机带动发电机转子高速转动，从而产生电流。
装置向下运动的原理相仿，只要保证上下叶轮助推器旋向相反，那么叶轮就会始终朝一个方向转动。因此发电机转子能够始终保持一个方向的高速运动，使得连续的发电过程成为可能。蓄电池用来将发电机发的电暂时储存起来，稳定输出给用电设备。
除浮体外，其他零部件组成一个大的模块。每个模块都能独立的发电，因此只要浮体有足够的浮力，可以在浮体下方安装多个发电模块。对深海发电有很好的适应性。
假设波浪为一列余弦行波。
式（2-1）
假定初始条件为：
波高：a=0.7m，周期：t=4s，波速：u=3m/s
角速度w式（2-2）
平均能流密度i式（2-3）
结果：i=1.86kw/m2
本装置工作时是浮在海上但又要求其不能任意摆动，因此下重上轻的安排可使其稳定工作。故将最重的发电机、蓄电池安排在装置底部，将中空的浮体安排在装置最上方。从上至下依次是浮体、上叶轮助推器、增速器（叶轮）、下叶轮助推器、发电机和蓄电池。
发电机与蓄电池采用标准件方式，故只需根据工况要求，选出其型号。需要自行设计的有浮体、叶轮助推器、叶轮及增速器。
浮体：浮体主要提供一个足够的浮力，在设计时主要需要考虑其排水量，即浮体吃水体积。另一个需要考虑海洋恶劣的工况条件，需要选择耐腐蚀材料。
耐海水腐蚀材料有钛、镍基合金、不锈钢和工程塑料，结合加工和经济性能对浮体材料选用工程塑料。
叶轮助推器：叶轮助推器主要用来收集海水，提高海水动能。故选择变截面管道作为叶轮助推器内部结构。
叶轮：叶轮主要将海水动能转换为机械能，相当一个叶轮叶片的作用。采用叶片的形式，叶片摆角与水流冲击角垂直。
增速器：增速器需要将叶轮的低转数提高到发电机要求的高转数。由于叶轮转数通常在每分钟几转，而发电机的最小发电转数一般在每分钟几千转，故传动比要取的很大。
一般齿轮增速器要想达到这个大的传动比，其结构势必变的很庞大。故选择采用行星齿轮增速器。行星齿轮增速器具有体积小、承载能力高、使用寿命长、运转平稳、噪音低、温升控制合理等优点。
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