基于带轮-叶片传动原理的新型海洋能发电装置设计及其关键技术研究

发布时间：2020-05-14 17:16

【摘要】：随着海洋资源的利用和开发,潮流能成为继太阳能、风能之后的又一新型清洁能源。目前,由于成本、可靠性、能量转换效率等因素的制约,全球潮流能的研究大多处于实验阶段,其中潮流能发电成本居高不下是阻碍其商业化的最大原因,所以对于每一种潮流能发电装置,能否提高其能量捕获机构的转换效率,使其达到最佳减速比,降低发电成本,成为其是否具有发展潜力的关键。本文从机组模块化的理念出发,深入分析潮流能—电能转换机理,开发了基于带轮-叶片传动原理的新型海洋能发电装置。通过应用计算机有限元模拟技术,建立叶片角度与能量收集效率之间的关系模型、入射箱体斜度与有效流速之间的关系模型,在三维场内对其进行流场模拟,研究流场内发生的物理现象及运动规律,综合分析其迭代曲线、压力分布、速度大小及其水流轨迹情况。并通过改变能量捕获机构叶片的角度和入射箱体的斜度,研究其最优参数范围,为装置的设计和制造提供理论依据和技术指导。论文首先对基于带轮—活动叶片式的新型低潮流能装置进行模型建立和理论研究。通过运用UG NX8.5三维建模技术对模型的工作原理和优缺点进行分析,并对叶片摆角与潮流能收集效率关系模型和箱体结构入射角度与潮流增速关系模型进行研究,提出潮流能~电能转换理论。然后研究计算流体力学CFD的理论基础和ANSYS FLUENT有限元模拟技术的关键参数。通过分析流体流动的基本条件和计算流体力学区域离散化理念,对流体类型进行确定。并对ANSYS FLUENT有限元模拟技术的基本控制方程、湍流模型、边界条件等关键参数进行研究,提出运用基于RNG k~ε湍流模型的流场对潮流能装置进行有限元模拟计算。接下来运用ANSYS ICEM CFD网格划分软件和ANSYS Fluent有限元分析软件对低潮流装置的能捕机构叶片模型和入射箱体模型进行深入研究。通过ANSYS Fluent有限元分析软件模拟流场环境,得出能捕机构叶片和入射箱体的迭代曲线图、压力云图、水流速度矢量图和水流轨迹图,继而对能捕机构叶片的受力状态和入射箱体上水流速度的分布情况进行综合分析。之后,对装置的关键结构参数进行优化研究。分别对能捕机构叶片在5°、15°、25°、35°、45°时的关系模型和入射箱体在10°、20°、30°、40°和50°时的关系模型进行流场模拟,得出叶片压力分布随叶片角度的变化规律,流体速度分布随箱体角度的变化规律,进而分析出叶片摆角和箱体入射角度的最优参数范围。最后,对新型低潮流发电装置进行试验测试。通过分别对装置的关键部件和整机装置进行模拟和实物测试,建立能量转化效率数学模型,分析各参数与能量转换效率的关系,进而得出其最优参数,为低潮流海洋能高效回收与利用装置的设计提供了一定的借鉴和参考。
【图文】：

流程图,能量转换,流程,潮流

充分开发潮流能资源，不仅是未来新能源的发展趋势，也是国源战略的重要一环[19-22]。海洋能装备主要应用于发电，对于潮流能发电装置影响其商业化道路的主运行成本居高不下，相比传统的火力发电，其成本高于火力发电 5～10 倍左右影响其成本最重要的因素是潮流能装置能量捕获机构效率的高低，能捕机构计制造是决定一台潮流能设备优劣的关键。本论文就是结合目前我国海域情况计一种转换效率高、发电功率大、环境适应性强、易于安装回收的低潮流高收与利用装置。并运用有限元的分析思想，对其的能捕机构叶片和入射箱体进行深入的研究，通过计算机模拟技术对流场进行建模、仿真和计算，并综算结果进行多次计算机模拟实验，分析出其最优参数范围，为设备的设计和提供依据和参考[23-27]。1.2 潮流能装置能量转换流程

水轮机,导流罩,水平轴,轮机

图 1.2 水平轴水轮机水平导流罩式水轮机，，如图 1-3 所示，结构上在水轮机叶轮外部增加了一个近似圆柱形的导流罩，是水平轴水轮机的改进型，新加坡公司的 AS 系列水轮机和爱尔兰 OpenHydro 公司的 Open Centre 就是导流罩水轮机的代表。导流罩最主要作用为聚能和导流，通过其聚集能量，使能捕叶片的能量转换效率明显提高，同时也使得水轮机叶轮工作环境得到一定的改善，叶片折损风险进一步降低。但是，高效的导流罩一般外形复杂，体积较大，设计和制造成本高，对材料的综合性能要求也高，使海下安装工作量和回收成本大大增加[37,38]。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM612;P743

【参考文献】