基于浮式防波堤的波浪能装置水动力特性和台架实验研究

发布时间：2020-03-20 23:06

【摘要】：波浪能作为一种储量丰富的绿色能源,以其分布范围广、能量密度高等优点得到了世界各国广泛的关注和研究。与此同时,浮式防波堤由于其建造成本相对较低、受海底地质条件影响小、灵活方便等优点得到了较广泛的应用。由于波浪能量密度高,其破坏力也大,能对浮式防波堤产生巨大的环境应力荷载,因此,如何提高浮式防波堤的水动力性能,减弱波浪对防波堤的破坏作用至关重要。而波浪能转换装置的建造研发成本较高,也阻碍了波浪能转换装置的研发与利用。考虑到波浪能转换装置在吸收波浪能的同时起到了一定的消波作用,因此可以将波浪转换装置与浮式防波堤结合起来研究,既能降低研究成本,又能对防波堤起到保护的作用。本文依托工信部高技术船舶重大专项《浮式保障平台工程(二期)》专题七—波浪能利用技术,开展基于浮式防波堤的波浪能利用技术研究。首先,以现有双浮筒浮式防波堤为支撑载体,搭载摆臂式浮子,建立基于浮式防波堤的波浪能转换装置的集成系统,针对目标海域的波浪条件,选择合适的波浪能浮子尺寸和布置方式,并研究了能量输出装置(Power Take Off,简称PTO)的阻尼系数、浮子吃水深度、浮式防波堤的存在、波浪能装置与浮式防波堤间距对波浪能装置发电性能的影响。研究发现,随着间距的变小,波浪能浮子的运动响应,发电功率以及俘获宽度比会相应的增大;浮子的运动响应和最大发电功率随着吃水的减少而增大;与防波堤耦合后波浪能装置的发电功率更大。然后,针对该浮式防波堤波浪能装置集成系统的特性,设计了一种新型模块化永磁直线发电装置,置于波浪能浮子内部,使其不与海浪直接接触,从而避免受到恶劣海况的影响,延长波浪能装置发电模块的使用寿命。开展了内置直线发电机模块和波浪能台架实验测试系统的设计。利用台架运动模拟测试系统模拟了波浪能装置在波浪中的纵摇运动,用以验证能量输出系统机械结构的合理性,运动特性和功率特性等,进一步验证了该波浪能发电装置的可行性。通过台架实验,选取不同机械参数(气隙、电阻),以及纵摇运动模拟平台的运动参数(周期和运动幅值)组合情况,得到内置发电模块的运动响应、输出功率。同时,基于线性阻尼假设,推导出了 PTO系统阻尼的求解方法,用以分析不同工况下PTO系统的有效阻尼、总阻尼,由此得到PTO系统的机械效率。最后,结合实际工作海况下波浪能装置的发电功率、俘获宽度比以及通过台架实验得到的发电机平均机械效率,预测浮式防波堤波浪能系统的发电能力。
【图文】：

防波堤,浮桥,箱型

（Ｃ）逦（ｄ）逡逑型防波堤（ａ）邋Ｈｏｌｙ邋Ｌｏｃｈ防波堤［３］｜４１邋（ｂ）费萨诺箱型防波堤［５１邋（ｃ）浮桥型防波堤［６］邋（ｄ）摩洛哥港延伸防波堤｜７］逡逑防波堤相比，浮桥型防波堤在只增加很少重量的情况下大大增加了型和浮桥型防波堤设计的基础上，近年来又有很多创新设计涌现，的应用等。这些设计进一步减小了波浪透射率。另…方面，对于箱波堤，宽度要达到至少三分之一辐射波长才能起到良好的防消波作，这两种防波堤的宽度要做的很大，在一定程度上影响了经济性。盛顿橡树港的浮桥型防波堤［８１，由Ｄａｖｉｄｓｏｎ在１９７１年提出并进。Ｋ00｜９ｉ设计了一个可以充气的密闭气室浮桥防波堤。应用完全非阻裆波浪和吸收能量性能进行研究，发现这种浮桥防波堤可以有计了一种两个平行圆柱浮筒用内部装有橡胶球的网笼相连的浮桥防以扰乱水质点的运动轨迹，笼内的橡胶球可以进一步耗散波浪能中，，箱型浮式防波堤和浮桥型浮式防波堤最为常见。逡逑

防波堤,浮桥,箱型,双圆柱

（Ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．１浮桥型防波堤（ａ）邋Ｈｏｌｙ邋Ｌｏｃｈ防波堤［３］｜４１邋（ｂ）费萨诺箱型防波堤［５１邋（ｃ）邋Ｋａｎ－ｏｎ逡逑浮桥型防波堤［６］邋（ｄ）摩洛哥港延伸防波堤｜７］逡逑与箱型防波堤相比，浮桥型防波堤在只增加很少重量的情况下大大增加了纵摇稳定逡逑性。在传统箱型和浮桥型防波堤设计的基础上，近年来又有很多创新设计涌现，包括带逡逑孔板和气室的应用等。这些设计进一步减小了波浪透射率。另…方面，对于箱型防波堤逡逑和浮桥型防波堤，宽度要达到至少三分之一辐射波长才能起到良好的防消波作用。因此逡逑防御长波时，这两种防波堤的宽度要做的很大，在一定程度上影响了经济性。典型的设逡逑施包括建于华盛顿橡树港的浮桥型防波堤［８１，由Ｄａｖｉｄｓｏｎ在１９７１年提出并进行了邋１：］０逡逑的模型实验。Ｋ00｜９ｉ设计了一个可以充气的密闭气室浮桥防波堤。应用完全非线性数值逡逑水池对该设计阻裆波浪和吸收能量性能进行研究，发现这种浮桥防波堤可以有效阻挡长逡逑波。＿！丨等＿设计了一种两个平行圆柱浮筒用内部装有橡胶球的网笼相连的浮桥防波堤（图逡逑１．２）。网笼可以扰乱水质点的运动轨迹
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U656.2

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