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基于BUOY-41浮标的纳米摩擦-电磁复合波能装置特性研究

石德文  
【摘要】:海洋信息的监测是现代生活数据中的重要一环,而海洋监测平台的自供电系统就成为了实现其长期稳定工作的重要保证。传统波能装置由于体积和结构等原因并不适用于对海洋监测平台进行供电保障,于是本文将波能装置小型化,并拟定安装于BUOY-41型海洋浮标内完成其自供电设计,同时探究了该复合波能装置各项参数配置对输出特性的影响。本文首先介绍了纳米摩擦-电磁复合波能装置的总体结构设计方案,对纳米摩擦发电单元和电磁发电单元的工作原理进行了分析,确定了对两者输出特性的影响因素,引述了基于STAR-CCM+平台的CFD基本理论。纳米摩擦发电单元的输出特性影响因素主要有动子全长、半径、叉指电极指数、叉指电极间宽比、表面电荷密度和外部电路电阻6个变量,首先基于COMSOL平台的静电场模块建立二维轴对称模型并结合参考文献进行准确性验证;随后针对这些变量分别建立模型进行仿真对照试验,得到了在指定正弦运动状态下,以上述参数为变量时该单元的输出特性,通过对比功率密度的大小确定了上述变量对该单元的输出特性影响规律,同时也完成了波能装置的各项参数优化设计,得到了其最优参数配置。结合上述最优参数配置进行简略的电磁发电单元实验,并基于COMSOL平台的磁场模块建立实验的仿真模型,通过对比分析确定仿真模型的准确性;基于准确的最优参数配置信息,建立准确而可靠的电磁发电单元仿真模型,求得到指定正弦运动状态下电磁发电单元的输出特性。借助STAR-CCM+平台建立BUOY-41型海洋浮标模型以及数值水槽模型,对该海洋浮标进行水动力分析,解得以波高和波周期为变量时对浮标的运动响应的影响;通过简化的仿真实验方案将浮标的运动响应等效为波能装置中动子与定子之间的相对运动,求得浮标的运动位移数据,确定最优参数配置下波高和波周期对波能装置输出特性的影响关系;最终计算最优波浪条件下波能装置的输出能力。本文对纳米摩擦-电磁复合波能装置的研究提高了波能装置的俘能效率,为解决BUOY-41型海洋浮标的长期工作自供电问题提供了可靠的方案,同时也为解决其他海洋工作平台的自供电问题提供了依据和参考。


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