一种漂浮式双浮体波浪能发电装置的研究

【摘要】：近年来,全球能源供求日益紧张,环境保护与CO2减排的呼声越来越高,这极大地促进了清洁能源的开发和利用。波浪能是一种清洁能源,其转换技术也得到较大发展,多种不同类型的波浪能发电装置被提出,包括振荡水柱式波浪能发电装置、收缩波道式波浪能发电装置和振荡浮子式波浪能发电装置等。本文研究的是一种新型的漂浮式双浮体波浪能发电装置,它主要用于解决实际的海洋监测需要,可通过双浮体间的相对运动来驱动发电机,将波浪能转换为电能。本文通过频域和时域分析方法以及模型实验研究手段,研究了该双浮体波浪能发电装置的工作机理及其波能俘获特性。本文首先简要介绍了涉及本课题的一些基本理论:如线性波理论、随机波理论、浮体在波浪中的运动规律、水动力学商用软件AQWA、以及等比例模型实验等。其次,本文提出了可应用于海洋监测的一种新型的双浮体波浪能发电装置,介绍了其基本结构和发电原理。本文研究初始方案提出上浮体采用椭球体,下浮体为质量较重的球体,上下浮体之间通过拉绳连接,能量转换装置安装在椭球体内部。采用线性波浪理论,在仅考虑上下浮体做垂荡运动的情况下,假设能量输出系统是线性的,建立了双浮体波浪能发电装置频域运动方程,并以无阻尼的弹簧质量系统共振理论对能量转换装置的刚度与阻尼进行了优化,从数值分析结果可以发现该双浮体装置具有实际应用的可行性,本文还研制了一个相似尺寸模型并进行实验研究,实验结果表明规则波作用下该双浮体波浪能发电装置俘获宽度比较高。再次,针对本文数值分析得到最佳阻尼过小的问题,本文创造性地提出对双浮体系统添加约束。另外,本文研究的初始方案,上浮体采用椭球体,研究表明当入射波高较大时,拉绳将不绷紧,这在实际应用中是不允许的。因此,本文以拉绳绷紧为条件,分析了分别以圆柱体、椭圆柱体、球体、椭球体、圆锥体作为上浮体的性能,得出球体最符合设计要求的结论。从频域分析垂荡运动出发,推导了规则波作用下的最佳相位与阻尼条件,得到了系统吸收的最大能量,获取了双球体模型波浪能发电装置的频率响应函数,研究了能量输出系统参数对频率响应函数的影响,得到双球体系统在规则波和不规则波浪条件下的吸收能量。分析结果表明对规则波与不规则波,波浪频率或峰谱频率与固有频率接近时,系统输出能量较大。鉴于浮体在真实海域中一般有六个自由度运动,频域分析无法充分考虑非线性特性和控制对波浪能发电装置波能俘获特性的影响,本文还对双球体模型波浪能发电装置进行了时域模拟分析,考虑了多个自由度方向的运动。采用状态空间模型近似替代时域运动方程中卷积项方法,运用频域方法对系统进行参数识别,建立了频域识别步骤,推导了拉绳对浮体的作用力分量。本文对装置进行了时域运动仿真,研究了规则波与不规则波作用下不同周期与波高,不同能量输出系统参数对该双球体模型波浪能发电装置俘获波能的影响。本文推导了多自由度系统的十二个固有周期。对双球体模型波浪能发电装置吸收能量与仅考虑垂荡运动进行比较,得出两者分析结果高度一致性,也表明提出的双球体模型波浪能发电装置主要做垂荡运动的特性。最后,本文研制了双球体浮子相似模型,并实验研究了该波浪能发电装置的特性,得到了良好的结果数据。论文最后对全文进行了总结,并提出了今后的研究方向。 【关键词】：双浮体波浪能发电装置 频域分析 形状优化 时域模型 多自由度 模型实验
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM612
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.1.1 研究背景13
• 1.1.2 海洋波浪能概述13-14
• 1.1.3 研究意义14-15
• 1.2 波浪能发电装置概述15-20
• 1.3 波浪能发电技术难点与研究热点20-21
• 1.3.1 波浪能发电技术难点20
• 1.3.2 波浪能发电技术研究热点20-21
• 1.4 本课题的研究内容21-24
• 1.4.1 课题的提出21
• 1.4.2 课题研究的内容21-22
• 1.4.3 课题的创新点22-24
• 第二章 波浪模型、频域运动模型以及实验模型的建立24-38
• 2.1 概述24-25
• 2.2 波浪模型25-27
• 2.2.1 规则波模型25-26
• 2.2.2 不规则波模型26-27
• 2.3 浮体在波浪中的频域运动模型27-34
• 2.3.1 单自由浮体在波浪中的运动27-31
• 2.3.2 双自由浮体在波浪中的运动31-33
• 2.3.3 双相连浮体在波浪中的运动33-34
• 2.4 水动力学商用软件AQWA简介34-35
• 2.5 等比例模型实验35-37
• 2.5.1 原型尺寸和模型尺寸35
• 2.5.2 相似准则35-36
• 2.5.3 数据采集过程简介36-37
• 2.6 结论37-38
• 第三章 方案设计、理论分析与实验验证38-47
• 3.1 新型双浮体波浪能发电装置38-39
• 3.1.1 新型双浮体波浪能发电装置的设计与特点38-39
• 3.1.2 新型双浮体波浪能发电装置的工作原理39
• 3.2 理论与频域数值分析39-44
• 3.2.1 静态分析39
• 3.2.2 频域数学模型39-41
• 3.2.3 数值分析结果41-44
• 3.3 等比例模型实验44-46
• 3.3.1 实验模型结构44-45
• 3.3.2 实验结果45-46
• 3.4 结论46-47
• 第四章 波浪能发电装置浮体优化与频域研究47-68
• 4.1 概述47
• 4.2 浮体优化条件的建立47-50
• 4.2.1 静平衡条件47-48
• 4.2.2 约束、相位和阻尼条件48-49
• 4.2.3 绳子的绷紧条件49-50
• 4.2.4 设计的波浪要素50
• 4.3 上浮体形状的优化分析50-57
• 4.3.1 圆柱体50-52
• 4.3.2 椭圆柱体52
• 4.3.3 球体52-53
• 4.3.4 椭球体53-55
• 4.3.5 圆锥体55-56
• 4.3.6 优化分析结果56-57
• 4.4 双球体模型波浪能发电装置的频域研究57-67
• 4.4.1 波浪载荷计算57-59
• 4.4.2 频域响应函数59-62
• 4.4.3 规则波与不规则波分析62-67
• 4.4.3.1 规则波分析62-65
• 4.4.3.2 不规则波分析65-67
• 4.5 结论67-68
• 第五章 时域建模与双球体模型波浪能发电装置实验研究68-102
• 5.1 概述68-69
• 5.2 时域分析对象69
• 5.3 时域模型的建立69-75
• 5.3.1 多自由度时域运动方程69-70
• 5.3.2 时延函数的性质70-71
• 5.3.3 基于频域识别的状态空间替代模型71-75
• 5.3.3.1 线性系统71
• 5.3.3.2 线性系统的时域模型71-72
• 5.3.3.3 传递函数与频率响应函数72
• 5.3.3.4 频域参数识别72-73
• 5.3.3.5 频域识别步骤73-75
• 5.4 拉绳对上下浮体的作用力75-77
• 5.5 频域识别结果与精度77-80
• 5.5.1 纵荡和垂荡运动的频域识别77-80
• 5.5.1.1 纵荡运动的频域识别结果77-78
• 5.5.1.2 垂荡运动的频域识别结果78-80
• 5.5.2 状态空间替代模型精度的验证80
• 5.6 上下球体的运动过程分析80-84
• 5.6.1 规则波作用下浮体的运动过程分析80-82
• 5.6.2 不规则波作用下浮体的运动过程分析82-84
• 5.7 波高和周期对系统吸收能量的影响84-86
• 5.7.1 周期一定，波高变化84-86
• 5.7.2 波高一定，周期变化86
• 5.8 PTO刚度和阻尼对系统吸收能量的影响86-94
• 5.9 等比例模型实验94-100
• 5.9.1 双球体模型结构94-95
• 5.9.2 实验结果95-100
• 5.9.2.1 波高与输出电压变化曲线96-97
• 5.9.2.2 输出功率与效率随周期和波高变化97
• 5.9.2.3 输出功率与效率随刚度和负载变化97-99
• 5.9.2.4 输出功率与效率随质量和吃水变化99-100
• 5.10 结论100-102
• 第六章 结论与展望102-105
• 6.1 主要研究工作总结及结论102-103
• 6.2 进一步研究工作与展望103-105
• 参考文献105-110
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果110-111
• 致谢111-112
• 附件112

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