考虑极端波浪的新型可阵列化波浪发电装置水动力优化研究

发布时间：2020-08-22 18:01

【摘要】：相比其它形式的海洋可再生能源,波浪能具有能流密度高和分布范围广的优点,其时空分布特性决定了波浪发电技术在海岛和深远海的资源开发方面具有特殊的优势和广阔应用前景,但波浪发电装置走向成熟需要经过理论研究、初步设计、数值优化、模型实验和实海况验证五个阶段性的漫长循环过程,同时发电装置在获取波浪能的同时还可能承受各种极端波浪的破坏作用,因此目前波浪发电产品常常因其性价比不高而未实现规模产业化,在制约其产业化的众多技术难点中,装置的水动力性能优化是一个重点环节,其研究将具有重要的水动力学理论意义和工程实际意义。本文将针对一种新型的密闭气动式双浮体波浪发电装置进行研究,装置的核心技术是通过上下浮体间的相对垂荡运动捕获能量,装置的上浮体质量和外形设计对装置吸收波浪能的影响最为直接,同时装置受到的极端波浪力的安全性问题也最为突出,因而装置上浮体的水动力性能优化对于装置的吸收能量效率和安全性能都十分重要,另外装置的阵列化研究对于波浪发电的产业化也具有重要意义,另外因为系泊部分对该装置主要起到水平限位的作用,为了突出本文的研究重点,文中的研究暂时忽略了系泊部分的影响。文中首先开展了上浮体最优型式的确定工作,为此本文选取了三种简单常见的上浮体形状,分析比较了上浮体形状参数对自由垂荡双浮体水动力响应的影响;并考虑双浮体波浪发电装置的能量采集输出系统是线性的弹簧阻尼系统,基于势流理论建立双浮体系统在垂荡方向上的频域运动方程并求解,理论分析发现阻尼对系统固有周期及垂荡运动的影响较大,而刚度的影响较小;进一步利用AQWA对双浮体系统在规则波下进行时域分析,得到了双浮体系统的垂荡运动响应及对波浪能的瞬时吸收功率,为了验证数值模拟结果的可靠性,本文还对三种不同上浮体型式的发电装置进行了规则波物理模型实验,实验结果与数值模型计算的时域结果进行对比基本吻合,通过以上研究确定了在本文波浪范围条件下合适质量的平底柱形为上浮体的最优型式。其次,为了考虑双浮体装置在恶劣海况极端波浪作用下的安全性能,文中基于一种特殊的极端随机波浪——畸形波生成理论,采用Matlab建立了畸形波生成的数值模型,进而利用AQWA-Drift导入畸形波的波面时程曲线进行时域分析,得到双浮体系统的垂荡响应并进行装置的可靠性分析,结果表明在畸形波作用瞬间,系统的垂荡位移、速度和波浪力都剧烈变化,双浮体间的弹簧张力和单点系泊的缆绳张力也产生瞬间极大突变,这些对装置的可靠性来说都是极其不利的,文中基于计算结果给出了装置加强的可靠建议。最后,考虑到未来波浪发电能够实现规模产业化,文中在双浮体系统水动力性能优化分析的基础上,针对直线式、矩形式和圆周式三种阵列形式,基于AQWA建立的频域和时域数值模型对阵列波浪发电装置展开了优化研究,研究不同排列方式、排列间距及波浪参数对波浪能装置阵列系统的运动特性及吸收效率的影响,最终确定在本文波浪范围条件下合适间距的圆周式阵列是最为理想的阵列模型。本文通过理论解析、数值计算和物模实验三种研究手段分析了不同波浪条件下一种新型双浮体波浪发电装置的水动力学性能,开展了不同上浮体型式优化、阵列形式的优化和极端波浪条件下的安全可靠性等研究工作,最终的研究成果和建议可为我国的波浪发电利用研究和产业发展提供有意义的科学参考价值。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P743.2;TM612
【图文】：

置系统吸收波浪能效率的影响，寻找适合我国实际海况波能密度偏低这一特性的阵列布置方式和布置间距，为预测阵列式波浪发电系统的功率输出、优化控制以及大规模应用提供理论和实践基础。1.2 波浪能分布1.2.1 全球波浪能的分布海洋表面波浪具有的动能和势能的总和称为波浪能。波浪能的大小与波浪周期、波高的平方和迎波面的宽度呈现正比例关系。对比其它可再生的海洋能源，波浪能具有分布范围最广、能流密度大和品味最高的特点，同时在时空分布角度上来看也是能量最不稳定的。从空间上看，不同地域波浪能的能量密度分布差别很大；从时间上看，季节引起的海况变化使得波浪能具有很强的随机性。也正是由于波浪能具有的空间分布差异性及其时间随机可变性，要实现有效利用波浪能发电的目标比其他形式的可再生能源都显得更加困难。

华南理工大学硕士学位论文所示为全球海域的年平均波浪能流密度分布图，从图 1-1 中可以看出全世界大部分海域的波浪能流密度都在 10kW/m 以上，其中最强的是南半球西风带，高达 60～100kW/m，北半球则大概为 30～50kW/m。波浪能大小的分布与纬度有关，纬度较高的海域波浪条件较好，波浪能储存量相当可观，尤其是纬度 40°～60°的南北半球。另外，赤道两侧30°内的信风海域由于存在规律的低速风，其波浪条件也较好。像英国沿海、美国西海岸以及新西兰南部沿海存在盛风区或长风区的海域，波浪能流密度一般都较高，波浪能开发条件是非常理想的。

第一章 绪论在全球海域的波浪资源中虽然不占优势，但是仍然有适渤海、东海北部以及南海中南部的年平均值在 10kW/m 以对较大，在 10kW/m 以上。观测资料统计，我国沿海地区以及海岛附近的波浪能十分发利用的约 0.7～1.7 亿 kW，具有广阔的开发利用前景[7]2m，年平均波浪能流密度为 5～8kW/m；其中渤海海域波浪能流密度为 3～5kW/m。沿岸的波浪能流密度分布情况，结合自然环境条件，在选时，应该综合考虑波浪能流密度、季节变化、平均潮差以的浙江、福建沿岸是波浪能重点开发区域，其次是广东的段和长江口。

【参考文献】

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1 杨绍辉;何宏舟;曲泉铀;;多点直驱式波浪能发电系统仿真分析与试验研究[J];太阳能学报;2014年08期

2 陈韦;余顺年;詹立垒;钟启茂;;波浪能发电技术研究现状与发展趋势[J];能源与环境;2014年03期

3 王绿卿;冯卫兵;唐筱宁;龚政;;中国大陆沿岸波浪能分布初步研究[J];海洋学报(中文版);2014年05期

4 陈文创;张永良;;筏式波浪能装置波能转换液压能效率的数值研究[J];水力发电学报;2013年05期

5 李居跃;何宏舟;;波浪能采集装置技术研究综述[J];海洋开发与管理;2013年10期

6 郑崇伟;贾本凯;郭随平;庄卉;;全球海域波浪能资源储量分析[J];资源科学;2013年08期

7 李成魁;廖文俊;王宇鑫;;世界海洋波浪能发电技术研究进展[J];装备机械;2010年02期

8 焦永芳;刘寅立;;海浪发电的现状及前景展望[J];中国高新技术企业;2010年12期

9 刘美琴;郑源;赵振宙;仲颖;;波浪能利用的发展与前景[J];海洋开发与管理;2010年03期

10 陈红霞;华锋;袁业立;;中国近海及临近海域海浪的季节特征及其时间变化[J];海洋科学进展;2006年04期

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1 马哲;振荡浮子式波浪发电装置的水动力学特性研究[D];中国海洋大学;2013年

2 赵海涛;浮力摆式波浪能装置的水动力性能研究[D];浙江大学;2012年

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1 黄鹏;振荡浮子式波浪能发电装置研究[D];中国海洋大学;2015年

2 刘莎莎;振荡浮子式波浪能采集系统的仿真及实验研究[D];华北电力大学;2013年

3 黄炜;浮力摆式波浪能发电装置仿真与实验研究[D];浙江大学;2012年

4 胡俊明;基于Fluent的波浪辐射与绕射问题数值模拟研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

5 平丽;振荡浮子式波能转换装置性能的研究[D];大连理工大学;2005年

6 刘日明;张力腿平台的波频耦合动力响应分析[D];哈尔滨工程大学;2005年

本文编号：2800979