鸭式波浪能转换单元的锁定控制与阵列布局设计的研究

发布时间：2020-08-07 06:07

【摘要】：波浪能是一种清洁、储量丰富的可再生能源,据统计:如果我国近海的波浪能被利用,可以提供我国电力生产量的一半。在我国经济发展十分活跃的沿海地区,电能的需求量十分巨大,而沿海地区正是开发波浪能的最佳位置,因此,开发我国近海的波浪能将具有重大意义。鸭式波浪能转换单元具有一级能量转换效率高的特性,具有非常广阔的应用前景。然而,鸭式波浪能转换单元也存在着如下几方面的问题:其普遍采用的液压式负载具有中间传动过程能量损耗大、维护成本高和油液泄露等缺点;其能量转换效率在波浪周期偏离装置固有周期时显著下降;其阵列的最优布局并未得到充分的研究。本文针对上述问题,提出了以直驱式旋转发电机作为鸭式波浪能转换单元的负载、通过锁定控制来提高鸭式波浪能转换单元在波浪周期偏离装置固有周期时的能量捕获效率的方法,并开展鸭式波浪能转换单元阵列最优布局的研究。为了解决传统鸭式波浪能转换单元中液压式负载存在的问题,本文以直驱式旋转发电机作为鸭式波浪能转换单元的负载,建立了鸭式波浪能转换单元的基本运动学模型,比较了直驱式和液压式负载的能量捕获效率,并分析了鸭式波浪能转换单元存在的问题。结果表明:该方案可减少传动过程中的能量损耗,并可降低维护成本、避免油液的泄露。用ANSYS AQWA软件完成的数值分析表明:在规则波和不规则波作用下,直驱式和液压式负载波浪能捕获能力是接近的,在波浪周期靠近装置固有周期时,鸭式波浪能转换单元具有很高的能量捕获效率;在波浪周期偏离装置固有周期时,其能量捕获效率显著下降。为了解决鸭式波浪能转换单元在波浪周期偏离装置固有周期时能量捕获效率显著下降的问题,本文研究了鸭式波浪能转换单元的锁定控制问题,建立了锁定控制模型,得到了鸭式波浪能转换单元的最优锁定控制策略,分析结果表明:随着激励力预测时间长度的增加,最大相对捕获宽度逐渐增加,最优负载阻尼系数逐渐减小;当超过一定的激励力预测时间之后,最大相对捕获宽度和最优负载阻尼系数将不会再有明显的变化。应用所提出的锁定控制策略,可使最大相对捕获宽度平均增加70%、最优负载阻尼系数平均减少60%。构建了鸭式波浪能转换单元实验系统,提出了在锁定控制过程中鸭体处于断续运动状态下的激励力估计方法,完成了验证试验,实验结果表明:在规则波和不规则波作用下,锁定控制都可有效提高鸭式波浪能转换单元的能量捕获效率、降低最优负载阻尼系数,在波浪周期偏离鸭式波浪能转换单元固有周期时,实验结果与数值计算结果良好吻合,验证了本文数值计算结果的准确性。研究了具有锁定控制的鸭式波浪能转换单元阵列的布局方案,分析了在最优能量捕获条件下影响阵列各单元水动力学交互作用的主要因素,建立了鸭式波浪能转换单元阵列在频域和时域中的运动学模型,获得了在锁定控制条件下鸭式波浪能转换单元阵列的最优布局。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM612
【图文】：

波面,波浪能,转换装置

a) 振荡水柱式[17]b) 越浪式[17]c) 振荡浮子式[18]a) Oscillating water column[17]b) Overtopping type[17]c) Oscillating body[18]图 1-1 波浪能转换装置Fig. 1-1 Wave energy converters（1）摆式。摆式装置如图 1-2(a)所示，其利用波浪中水质点的横向运动推动摆做纵荡运动[19]。因为海水中的波浪能主要位于海面以下一定深度内，所以通常摆面须穿透该区域以最大程度地获取波浪能。摆式装置的特点是：抗浪能力强，但是维护较为困难[20]。（2）垂荡式。垂荡式装置如图 1-2(b)所示，其浮子的尺寸远小于入射波的波长。利用类似于电磁学天线的原理，垂荡式装置可以捕获大于其自身宽度的波浪能，而且对波浪的入射方向不敏感[19]。垂荡式装置的特点是：固有周期通常较低，且带宽较窄[21]。（3）筏式。筏式装置如图 1-2(c)所示，其利用波面的形状使得漂浮在水面上的若干浮子形成一定的夹角，从而驱动连接各浮子的液压装置将浮子的动能和势能转换成液压能。在波浪力作用下，筏式装置会顺从波浪传播的主方向[19]。通常，

波浪能,浮子式,转换装置,鸭式

c) 筏式[19]d) 鸭式[22]c) Raft type[19]d) Duck type[22]图 1-2 振荡浮子式波浪能转换装置Fig. 1-2 Oscillating body devices1.3 鸭式波浪能转换技术1974 年，英国 Edinburgh 大学的 Stephen Salter 教授在 Nature 期刊上发表文章，首次提出了一种高效的波浪能捕获装置[23]，因其形状似鸭子，故取名为鸭式装置。鸭式装置的工作原理如图 1-3 所示。波面的起伏带动鸭体绕固定轴做纵摇摆动，驱动鸭体与轴之间的花键泵将液压油压向单向阀组，单向阀组将液压油的往复流动转变成单向流动后，将其推入高压蓄能器，高低压蓄能器之间稳定的压力差驱动液压马达并带动发电机转动输出平稳的电能。鸭体的腹部曲线迎合了波浪场中水质点的运动轨迹，因此能够高效地与波浪耦合作用；鸭体的尾部曲线为以转轴为中心的圆弧，鸭体的摆动不会向后辐射波浪，从而使得鸭式装置具有很高的一级

示意图,鸭式,工作原理,示意图

哈尔滨工业大学工学博士学位论文能量转换效率[22]。在鸭式装置的二维实验中，其能量捕获效率超过了 90%[6]，这可以从 1976 年 Jamie Taylor 延迟拍摄的二维水槽实验过程[6]看出：如图 1-4 所示，鸭体两侧波浪的波高可以从图中水面处的亮带宽度得到，由于鸭体后侧波高明显小于前侧，可知入射的波浪能被鸭体几乎全部捕获。从图中示踪粒子的运动轨迹也可以看出：鸭体后侧示踪粒子的运动幅度明显小于前侧，说明波浪在经过鸭体之后能量得到了极大衰减。在 20 世纪 70 到 80 年代，鸭式装置被认为是最有竞争力的波浪能捕获方案，得到了欧洲和美国的大量学者的深入研究[24-29]，包括鸭体纵摇轴的顺从特性及其倾覆特性等。

【参考文献】