单浮子式波浪能发电装置的水动力性能研究

【摘要】：波浪能以其储量大、无污染、可重复开发利用的优点，成为国内外海洋能开发利用研究的热点。深入研究开发适合我国特定海域的波浪能转换装置，对解决我国部分区域的用电问题具有重要意义。单浮子式波浪能发电装置是基于海洋结构物垂荡运动设计而成，具有结构简单、适应性强、转换效率较高、可靠度好等优点。本文以浮子式波能发电装置的工程应用研究为背景，采用模型试验与数值模拟相结合的方法对整个波能发电系统进行研究。 本文在介绍微幅波理论，分析波浪运动特性、波浪能的计算方法的基础上，开展了以下几个部分的研究工作。 (1)水动力计算分析：波能发电装置是利用物体间的相对运动获取波浪能而工作的，对波能采集装置的形状进行理论上的分析计算，推导出常见形状的采集装置所受垂向波浪激励力。在此基础上，对筛选出圆柱体的变形体——圆台形浮体、倒圆台形浮体与垂直放置圆柱体的水动力性能进行数值计算与分析。将数值计算得到的波激力与空载模型实验的结果进行了对比,数值计算和模型试验结果基本吻合,数值计算结果合理。 (2)模型试验：设计了一种基于浮体垂荡运动的波能发电装置模型，并设计了相应的储能环节、控制环节、液压管路系统以及液压缸、液压马达、发电机之间匹配关系。在此基础上，对模型进行了规则波下的实验，主要研究入射波波高、频率和浮体初始吃水深度等因素变化对波能发电装置的水动力性能的影响，进而研究这些因素变化与发电功率之间的变化关系。 (3)实验结果对比与分析：针对四种波高情况、四种波频工况下的波能转换量和波能转换效率给予结果对比和分析，得出结论：1)本装置波能发电量随着入射波波高的增加而增大；2)在装置固有频率附近，装置易发生共振现象，波能发电量最大；3)波能转换效率变化趋势比较复杂，对于本装置在入射波波高为0.36m，波频为0.4hz时，波能转换效率最大为22%。 本文综合运用数值模拟和模型试验的方法，研究了影响装置发电量和转换效率的主要因素——浮体初始吃水深度、入射波波高、入射波频率，给出了装置波能转换效率最优的入射波要素；为实际的工程应用提供了一定的参考价值和依据。 【关键词】：波浪能发电装置 垂荡运动 水动力性能 模型试验 转换效率
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM612;P743.2;U661.1
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 课题的研究背景及意义15-16
• 1.2 国内外波浪能发电装置研究现状与发展趋势16-20
• 1.2.1 国外典型的漂浮式波浪能发电装置16-18
• 1.2.2 国内外波能发电装置研究现状18-20
• 1.3 本论文的主要研究内容和拟解决的问题20-21
• 1.4 本文研究思路与设计流程21-23
• 第2章 波浪理论及浮子式波浪能发电原理23-31
• 2.1 微幅波理论23-26
• 2.1.1 微幅波理论的基本方程和边界条件24-25
• 2.1.2 微幅波理论解25-26
• 2.1.3 微幅波波浪的运动特性26
• 2.2 波浪能26-28
• 2.2.1 微幅波的波浪能26-27
• 2.2.2 微幅波的波流能27-28
• 2.3 浮子式波浪能发电原理28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 波能采集装置——浮子的设计31-45
• 3.1 弗汝德一克雷洛夫( 简称 FK)假定法31-32
• 3.2 常见浮体的波浪力32-39
• 3.2.1 长方体上的波浪力32-33
• 3.2.2 圆球状浮体上的波浪力33-35
• 3.2.3 水平放置圆柱浮体上的波浪力35-36
• 3.2.4 垂直放置圆柱形浮体上的波浪力36-39
• 3.3 常见形状浮子所受垂向波浪力的数值计算39-40
• 3.4 浮子形状的优选40-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第4章 波能采集装置的水动力数值分析45-53
• 4.1 水动力系数理论分析45-47
• 4.2 线性波浪激励下的运动方程47-48
• 4.3 水动力分析模型48-50
• 4.3.1 湿表面模型49
• 4.3.2 质量分布49
• 4.3.3 结构模型49-50
• 4.4 浪向角和入射波频率的设计50
• 4.5 波能采集浮筒的水动力系数50-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 振荡浮子式波浪能发电装置的设计53-63
• 5.1 振荡浮子式波浪能发电装置53-61
• 5.1.1 波浪能发电装置的组成53-54
• 5.1.2 波浪能发电装置的关键环节的设计54-61
• 5.2 模型试验设计实物61-62
• 5.3 本章小结62-63
• 第6章 波能发电装置的水动力性能实验研究63-87
• 6.1 实验目的63
• 6.2 实验条件与数据采集分析系统63-64
• 6.2.1 实验条件63
• 6.2.2 数值采集分析系统63-64
• 6.3 实验室模型试验的布置与设计64-66
• 6.3.1 模型试验布置64-66
• 6.3.2 实验步骤66
• 6.4 数值模拟方法的模型试验验证66-70
• 6.5 实验结果与分析70-80
• 6.5.1 波能采集浮筒所受垂向波浪力的影响因素分析71-74
• 6.5.2 波能采集浮筒垂荡运动位移的影响因素分析74-77
• 6.5.3 波能采集浮筒垂荡运动速度的影响因素分析77-80
• 6.6 波能发电效率的影响因素分析80-85
• 6.6.1 俘获宽度比81
• 6.6.2 实验结果处理与分析81-85
• 6.7 本章小结85-87
• 第7章 结论和展望87-89
• 7.1 本文工作总结87
• 7.2 研究展望87-89
• 参考文献89-92
• 攻读学位期间发表的学术论文92-93
• 致谢93-94
• 详细摘要94-98

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