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錨固水下懸浮體支撐水面浮體的波浪能采集方案數(shù)據(jù)分析 摘要：近年來波浪能的研究受到關注，波浪能的采集功率研究在實用商業(yè)化中起著至關重要的作用。我們開發(fā)了海底錨固的水下懸浮體，用來支撐水面浮體捕獲波能的辦法。利用水面浮體連接活塞桿帶動轉子的原理，產(chǎn)生扭矩收集波能。與傳統(tǒng)方法相比，實驗中的各項數(shù)據(jù)和量化值影響的效果更簡單和直觀，離岸式方案獲得靠岸式的支點支撐，支持水面浮體在最低0.2米上下運動行程的不規(guī)則波中運行，提供一種捕獲波浪能的有效辦法。 一句話摘要：本文為波浪能低浪高海況下，高效率大規(guī)模采集提供新的觀點和思路。 關鍵詞：水下懸浮體；支點；波浪能；適應性 引言：隨著全球能源消耗加劇，以及碳排放問題逐漸凸顯。政府和政策制定者推動新的計劃，以探索替代可再生能源。波浪能作為綠色可持續(xù)的海洋能，儲量巨大，據(jù)估算，全球波浪能總功率為2.2×109～2.7×109kW[1] 。如何在日常海況的低浪高中將波浪能進行高效率的大規(guī)模開發(fā)，對世界發(fā)展具有重要意義。波浪能采集裝置商業(yè)化存在的困難很多，波浪能轉換器（WEC）的有效運行取決于海洋波浪場和能量轉換裝置之間的共振實現(xiàn)[2] �，F(xiàn)有技術解決方案中，所面臨的采集效率，是波浪能采集商業(yè)化的重點問題。我們的目的是通過提高在一定面積海域內(nèi)的波浪能采集效率，降低每度電的發(fā)電成本，從而進一步推動波浪能商業(yè)化的進程。 能源消耗結構在世界經(jīng)濟和人類生活中的影響越來越重要。例如，受經(jīng)濟周期和俄羅斯烏克蘭沖突影響，世界能源價格上漲，紐約期貨交易所數(shù)據(jù)顯示，原油價格從2021年12月的70美元上漲到2022年5月的130美元，漲幅85.7%，天然氣價格從2022年1月的3.4美元上漲到2022年8月的10美元，漲幅135%。民眾受能源漲價影響，生活質(zhì)量普遍下降。 在多種因素影響下，將波浪能高效的轉換為可用能源具有挑戰(zhàn)性。這些挑戰(zhàn)來源于惡劣的海洋環(huán)境、普遍低波高的開發(fā)環(huán)境以及實施中有效的能源轉換技術。過去的研究人員根據(jù)各種概念，開發(fā)了許多不同的波浪能量轉換技術。例如，風能和波浪能的組合技術 或納米摩擦技術 概念已經(jīng)顯示出有希望的結果。其中對于波浪能技術PTO（power take off）裝置的設計原理，是將海面的波浪變化作為采集能量的來源。 在觀察中，波浪的運動是縱波和橫波的混合體組成。縱波也被稱為前進波，質(zhì)點運動和傳播方向一致，水平運動能量最大，常見適用于推進作用；橫波也被稱為剪切波，質(zhì)點運動和傳播方向垂直并復位，垂直運動能量最大，和機械重復運動并復位的特征相似，適用于能量傳遞的作用。 例如在常見的汽車活塞運動中，發(fā)動機轉子的扭矩力，來源于質(zhì)點在橫波上下運動中的做功。 然而，對上述信息的理解，研究人員在過去做了大量的技術方案，也是在這個步驟中產(chǎn)生了很多想法和分歧。為了優(yōu)化部件構造和便于理解，我們首先將水面浮體直接結合活塞運動部件，進行對理想化步驟的分析，水面浮體在波浪條件下的垂直運動，帶動轉子產(chǎn)生扭矩。 錨固水下懸浮體支撐水面浮體模型：基于對上述步驟的實現(xiàn)，必須提供一個穩(wěn)定的支點，為轉子提供相互作用力的支撐。我們開發(fā)了由海底錨固柔性鏈接的水下懸浮體，擁有錨固在海底的向下作用力，和由水下懸浮體提供的向上浮力，支撐轉子運動。與傳統(tǒng)波浪能設計相比，這個方案具有海岸式的穩(wěn)固支點條件和離岸式波浪能巨大儲量的開發(fā)潛力。 下面演示圖中，綠色為柔性繩索鏈接，紅色為剛性連接，藍色長方體為浮體。 數(shù)值求解方法： 受橫波引起的水位變化影響，水面浮體的浮力在不停變換。但浮體在水中的浮力，仍然可以用浮力定律進行測算。包括F浮力 ，G本身質(zhì)量，G浮體質(zhì)量，F(xiàn)作用力。 當水面靜止時，F(xiàn)浮力 = G 排水質(zhì)量，浮體處于靜止漂浮狀態(tài)。 在海浪橫波的時域變換中，實際水位比平衡水位高時，浮力向上托舉浮體。實際水位比平衡水位低時，浮體受重力影響向下運動。 G排水質(zhì)量- G 浮體質(zhì)量=F作用力 （F大于0時，作用力向上；F小于0時，作用力向下） （1）水面浮體帶動轉子的數(shù)值計算（模擬同波浪條件下，受力數(shù)據(jù)表，證實轉子受力穩(wěn)定性） 錨固水下懸浮體支撐水面浮體的方案中，能源收集部件轉子的扭矩力來源于水面浮體運動帶動的活塞桿，由實時狀態(tài)浮力和平衡狀態(tài)浮力的差值決定。水面浮體的捕獲效率和工作狀態(tài)的穩(wěn)定性也是至關重要的�；趯υO計要求和現(xiàn)實數(shù)據(jù)的獲取，在模擬實驗中按體積比例尺1：180制作長度0.5米，寬度0.5米，高度0.4米，質(zhì)量50kg的水面浮體。水面浮體在水面靜止漂浮時，吃水線高度為20cm。在水池底部和浮體上方設置固定轉子以及拉力測試器。在水池中進行加水和減水，模擬水面浮體受海浪抬升下落的行程，得到上浮力和下沉力，通過調(diào)節(jié)拉力器大小，使水面浮體中線保持在水池原始靜止漂浮60cm高度，觀察受力情況并記錄，以下是數(shù)據(jù)表格： 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 30 75000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 10 25000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 35 87500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 5 12500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 40 100000 50000 上↑ 490 80 抽水-20 40 0 0 -50000 下↓ 490 40 數(shù)據(jù)顯示，當水面浮體脫離靜止進入運動狀態(tài)，由實時排水量和靜止漂浮排水量的差值決定最大受力。通過浮體在波浪中上下運動的排水量變換，得到浮體在水中的受力數(shù)據(jù)。同時得到水面浮體連接的活塞桿最大拉力，以及水下懸浮體支撐的穩(wěn)定轉子獲得的扭矩力，基于功率公式： 功率 = 扭矩力 * 頻率 / 9549 = ( 扭矩 * 做功半徑（轉子半徑） ) * 質(zhì)子在橫波中上下兩次運動 * 波浪頻率 / 9549 = (水面浮體上下行程的受力* 水面浮體上下行程的1/2) * 2 * 波浪頻率 / 9549 波浪能采集裝置商業(yè)化存在的困難很多，波浪能轉換器（WEC）的有效運行取決于海浪場和能量轉換裝置之間的共振實現(xiàn) 。為了達到共振效果，使水面浮體捕獲效率更高和更穩(wěn)定的做功，我們進行了同體積不同密度的水面浮體測試,利用在波浪帶來同樣的水量勢能環(huán)境下運動高度測量數(shù)據(jù)。在下面數(shù)據(jù)表中顯示，同樣體積下，水面浮體密度大于液體50%時，會減少浮體因波浪帶來的排水向上浮力，水面浮體密度小于液體密度50%時，會減少水面浮體的因重力向下做功質(zhì)量。水面浮體的密度數(shù)值達到液體密度的50%時，水面浮體的運動和波浪場實現(xiàn)共振的契合。 （以下是同體積長度0.5米*寬度0.5米*高度0.4米，不同密度的水面浮體水位線測量） 液體密度30%的浮體，重30kg，吃水線12cm，排水量30000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 22 55000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 2 5000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 27 67500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 0 0 -30000 下↓ 294 45 加水+20 80 32 80000 50000 上↑ 490 80 抽水-20 40 0 0 -30000 下↓ 294 40 液體密度40%的浮體，重40kg，吃水線16cm，排水量40000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 26 65000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 6 15000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 31 77500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 1 2500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 36 90000 50000 上↑ 490 80 抽水-20 40 0 0 -40000 下↓ 392 40 液體密度60%的浮體，重60kg，吃水線24cm，排水量60000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 34 85000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 14 35000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 39 97500 37500 上↑ 367.5 75 抽水-15 45 9 22500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 40 100000 40000 上↑ 392 80 抽水-20 40 4 10000 -50000 下↓ 490 40 液體密度70%的浮體，重70kg，吃水線28cm，排水量70000cm^3。 加減水 /cm 水池深度/cm 水面浮體吃水線高度/cm 排水量/立方厘米 與靜平衡60cm高度排水量差值/立方厘米 拉力器受力方向 拉力器受力大小/n 釋放拉力器后水面浮體靜止吃水線位于水池高度 /cm 加水+10 70 38 95000 25000 上↑ 245 70 抽水-10 50 18 45000 -25000 下↓ 245 50 加水+15 75 40 100000 30000 上↑ 294 75 抽水-15 45 13 32500 -37500 下↓ 367.5 45 加水+20 80 40 100000 40000 上↑ 392 80 抽水-20 40 8 20000 -50000 下↓ 490 40 （2）增加懸浮體后效果，發(fā)電數(shù)據(jù) 最初，完成水面浮體的密度數(shù)據(jù)對其運動行程影響的研究，然后需要根據(jù)實際發(fā)電的數(shù)據(jù)證實波浪能捕獲情況。在1米寬的波浪涵道中，將水面浮體密度固定為液體密度的50%時，獲取水面浮體上下行程20cm、30cm、40cm的波浪能捕獲數(shù)據(jù)。 時間：運作時間的第X秒 電壓：V 福特 電流：A 安培 功率：W 瓦 浮體運動上下行程20c（100w）m： 時間 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 電壓 0 11.66 18.7 14 13.9 14 14.07 14 14 13.9 14.07 14 14 14 13.9 電流 0 5.83 9.38 7 6.96 7 7.03 7 7 6.96 7.03 7 7 7 6.96 功率 0 68 176 98 97 98 99 98 98 97 99 98 98 98 97 浮體運動上下行程30cm（230w）： 時間 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 電壓 0 17.32 28.6 21.26 21.3 21.16 21.3 21.26 21.26 21.26 21.3 21.16 21.16 21.26 21.26 電流 0 8.66 14.3 10.63 10.65 10.58 10.65 10.63 10.63 10.63 10.65 10.58 10.58 10.63 10.63 功率 0 150 409 226 227 224 227 226 226 226 227 224 224 226 226 浮體運動上下行程40cm（410w）： 時間 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 電壓 0 27.42 39.62 28.1 28.14 28 28.14 28.07 28.14 27.96 28.1 28.1 28 28.07 28.07 電流 0 13.71 19.81 14.05 14.07 14 14.07 14.03 14.07 13.98 14.05 14.05 14 14.03 14.03 功率 0 376 785 395 396 392 396 394 396 391 395 395 392 394 394 數(shù)據(jù)顯示，在第一個波頻中，發(fā)電數(shù)值低于后期平均數(shù)值。經(jīng)過分析，考慮到水面浮體從靜止狀態(tài)進入第一個波頻后的上下行程是低于后面數(shù)據(jù)均值，低數(shù)值是正�，F(xiàn)象。第二個波頻中出現(xiàn)的較高數(shù)值，也是發(fā)電啟動的常見狀態(tài)。 結論：水面浮體在橫波運動中，可增加排水量對上浮力和受本體質(zhì)量下沉力的數(shù)據(jù)影響，是正相關的關系。水面浮體的排水量和本體質(zhì)量由密度決定，所以水面浮體密度的設計，對于本方案的俘獲波浪能中是至關重要的。 通過對實驗數(shù)據(jù)整合，可以得到當波浪條件滿足水面浮體達到0.2m上下運動行程時，海底錨固水中懸浮體支撐的方案，有效功率達到100w。同比例尺1：180放大后的3*3*2（長度3米，寬度3米，高度2米）水面浮體，占海平面9平米，在波浪中達到0.3米上下運動行程時，轉子可以提升為半徑15cm，啟動功率16kw，達到1米上下運動行程時，轉子半徑達到0.5米，功率184kw。部件的設計中，考慮到數(shù)據(jù)涉及其因素，也都可以簡化后直觀的展示出來，對裝置性能也是至關重要的。 展望：在數(shù)據(jù)和原理的條件支持中，波浪能采集裝置可以使用簡易部件，抗侵蝕材料，在低波海況區(qū)域進行能量采集。裝置在運作中，利用區(qū)位因素的優(yōu)勢，可以將電力傳送到岸邊進行海水的電解氫和氫氣液化。舉例說明，引用《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》2022年第71版數(shù)據(jù)，日本2021年平均每天石油液體燃料消費總量335.7萬桶 ，當前每立方氫氣的電解耗能最低至為2.23KW•H 。僅從熱值數(shù)據(jù)計算，完成建設87萬余臺波浪能采集裝置，使用3*3*2（長度3米，寬度3米，高度2米）規(guī)格水面浮體，每臺裝置占海平面9平米，當海域浪高滿足水面浮體上下1米行程，所生產(chǎn)電力供給的電解氫產(chǎn)量可以替代日本每日石油消費量，成為日本石油作為液體燃料的替代品。 在未來，我們研究的下一步是利用設備在一定區(qū)域的布局結構設計，優(yōu)化水面浮體捕獲波浪能力，以及使用簡易材料部件，提升設備在海域中的抗腐蝕和生物侵蝕的能力,將以上方案進一步實現(xiàn)。（以上內(nèi)容在翻譯和謄寫時或許有錯，我們將非常感謝異議者聯(lián)系作者進行更改。） |
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[考研] 085600，一志愿鄭州大學，280分求調(diào)劑 +7 | Wuqi725 2026-03-05 | 7/350 |
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[考研] 282求調(diào)劑 +7 | 夕～日 2026-03-05 | 8/400 |
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