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面向通风需求的涡簧储能装置设计及性能仿真

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状及存在的问题

1.2.1 储能技术的种类及优缺点

1.2.2 弹簧储能装置结构研究

1.2.3 涡簧储能系统储能、释能方式研究

1.2.4 存在的问题

1.3 研究内容及方法

第2章 涡簧储能实验装置的研制

2.1 涡簧基本计算及特性分析

2.1.1 涡簧简介

2.1.2 涡簧的基本计算

2.1.3 涡簧应力分析

2.1.4 涡簧自身振动模态分析

2.2 储能装置其余部件设计

2.2.1 驱动系统

2.2.2 输入传动系统

2.2.3 涡簧轴、涡簧盒设计

2.2.4 输出系统设计

2.3 涡簧储能装置实物搭建

2.4 本章小结

第3章 涡簧储能装置性能仿真及优化

3.1 储能过程数学模型的建立

3.2 储能过程性能仿真

3.2.1 相关参数计算

3.2.2 仿真结果

3.2.3 试验验证

3.3 释能过程输出特性参数计算

3.4 储能装置的优化设计

3.4.1 涡簧截面优化

3.4.2 齿轮材料优化

3.4.3 储能装置结构改进

3.5 本章小结

第4章 涡簧储能系统储能、释能过程分析

4.1 系统模型建立及计算参数

4.1.1 系统等效力学模型的建立

4.1.2 系统相关参数的计算

4.2 系统运动分析

4.2.1 储能过程自由下落阶段

4.2.2 储能过程储能阶段

4.2.3 储能过程自由下落阶段与储能阶段整合分析

4.3.1 机械能连续单次输入

4.3.2 机械能连续多次输入

4.3.3 机械能单独输出

4.3.4 机械能输入、输出同时进行

4.4 本章小结

第5章 面向通风需求的涡簧储能装置设计

5.1 水平循环立体停车库简介

5.1.1 水平循环立体停车库概况

5.1.2 水平循环式停车设备参数

5.2 水平循环立体停车库通风防排烟计算

5.2.1 车库防烟分区划分

5.2.2 通风系统设计

5.2.3 风管的设计计算

5.2.4 风机选择

5.3 用于水平循环立体停车库通风排烟的涡簧储能装置选型

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间发表的论文及参与的科研项目

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摘要

随着新型能源的不断开发利用,储能技术也日趋多样化。目前储能方式主要有以下几种:物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能,而物理储能中的弹性储能又以高储能密度、低成本、高可靠性著称,有关其储能装置设计研究报道较少,而弹性储能应用在提升机械方面的研究报道则更少。故本文选择弹性储能原件中的平面涡卷弹簧作为研究对象,设计储能装置以及提升机械势能存储控制策略对于新型能源利用以及能量二次回收具有重要意义。本文具体研究内容以及结论如下:
  1)考虑到平面涡卷弹簧的形状特点,将其等效成曲梁并建立了有限元模型,通过对其进行有限元分析、柔性体分析,得到了平面涡卷弹簧在受载发生变形时横截面上的应力应变分布以及其特性曲线,用以验证涡簧材料选取的正确性,即判断涡簧在工作中是否失效问题,以及为涡簧结构优化提供参考依据。此外还对平面涡卷弹簧进行了自由模态分析,得到其前20模态阶振型及频率;
  2)以重力势能为储能对象,设计涡簧储能装置,并将其搭建成实物,用于模拟对外部环境中各种能量的采集与存储,同时提供实验数据用于检验下一步中数值仿真的正确性;
  3)以设计的储能装置为对象,在MATLAB/Simulink中进行仿真研究,并对涡簧截面形状、装置零部件结构以及材料进行优化,以达到储能效率最佳。结果表明涡簧在储能过程中的能量损耗主要来源于涡簧外部储能装置齿轮传动过程中的摩擦损耗,以及涡簧在储能过程中由于偏心而带来的各圈钢带之间的摩擦损耗;
  4)对升降机械结构进行简化处理,讨论以重力势能为储能对象的涡簧储能系统运行方式,并建立以上过程的运动方程,以Matlab为工具进行求解,分析不同能量输入输出方式对输出瞬时功率以及储能效率的影响;
  5)选择水平循环地下车库的升降机械作为工程对象,将收集的重力势能用于车库的通风排烟。此外针对该车库,根据其升降系统电机以及减速器参数设计储能装置输入传动系统、涡簧拧紧机构得参数。再根据《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB50067-2014)等标准计算该车库通风排烟量,根据通风排烟量选取相应的送风机以及排风机,再根据送风机以及排风机参数对涡簧储能装置输出系统参数进行计算。

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