低能流密度下波浪能发电装置的水动力性能与俘能功率研究

发布时间：2020-11-09 01:38

　　 波浪能是一种具有重要开发和商业应用潜力的清洁能源,目前有多种波浪能发电装置用于高能流密度海域。相比之下,占全球海域近40%的低能流密度海域开发不足,具有离岸近,布置及运行成本低等优势的波浪能发电装置关键性技术研究不够,如何优化浮标的水动力性能,提升俘能功率正成为低能流密度海域波浪能发电装置需要解决的首要任务。针对低能流密度海域波浪运动特点,本文研究了一种适用于山东半岛海洋环境的新型密封浮标式波浪能发电装置。借助有限元软件ANSYS建立浮标的数值模型,运用水动力计算软件AQWA开展波浪能转换数值分析,进而进行了低能流密度下浮标的水动力性能和俘能功率研究以及结构参数的优化组合。首先,研究了频域下浮标形状、质量和直径改变对浮标水动力性能及受力的影响,计算得到时域下基于浮标形状、质量和直径的浮标纵摇时程响应,研究了俘能功率随浮标形状、质量和直径变化的规律,探讨了不同系泊角度下浮标的时程响应。其次,基于频域分析法,研究了浮标与波浪共振状态下浮标形状、质量和直径与海浪波长间的相互关系,分析了浮标参数对浮标与波浪共振状态的影响规律,获得了俘能功率与波长间的相互关系。最后,基于单因素下浮标参数与浮标水动力性能和俘能功率的关系,运用正交试验法研究了多浮标参数耦合作用对浮标俘能功率大小的影响,并以俘能功率为优化目标对浮标结构参数进行优化分析。通过上述研究,得出以下结论:(1)低能流密度下,圆柱形浮标的水动力性能和俘能功率皆优于半球形浮标;一定程度的增加质量或增大直径可提高浮标的水动力性能和俘能功率;45°角系泊波浪能发电装置可获得最大纵摇时程响应值。3~5m直径圆柱形浮标的纵摇RAO随质量(2.2~4.2t)的增加逐渐增加,俘能功率先增加后减小;圆柱形浮标的纵摇RAO随浮标直径的增加(2~5m)先增加后减小,直径4m时达到最大值。(2)相同直径下,圆柱形浮标最适用波长约为半球形浮标的0.45倍;增加质量可使浮标与波长更长的波浪形成新的共振状态;直径由2m增加至3m时,浮标与波长更长波浪形成共振状态,直径由3m增加至5m时,除4.2t,4m直径浮标外,浮标与波长更短的波浪形成共振状态;4~5m直径浮标取得最大俘能功率时的波长范围约为7~14m。(3)质量为2.2~4.2t,直径为2~5m的圆柱形浮标,通过正交试验优选出的最佳浮标结构参数组合为:质量为4.2t、浮标直径为4m的密封浮标式波浪能发电装置在波长为14m左右的低能流密度海域可实现最大波浪能俘获。该组合方案广泛适用于渤海海峡及黄海大部分海域。
【学位单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM612;P743.2
【部分图文】：

能源的开发与利用是推动人类社会不断进步的动力。面对化石、煤炭和天然气生能源消耗殆尽的局面，以及化石能源引起的全球气候变化、环境污染和酸雨问题[1,2]，众多专家、学者在积极不断地研究、寻找新的绿色能源，比如：风能、可燃冰、海洋能以及页岩气等[3,4]。其中，能量密度以及储量巨大的波浪能是的能源之一。图 1-1 是全球平均波浪能功率密度等值线及波向分布图[5]。平均波浪能功率密义为沿波浪传播方向上单位时间内波浪通过单位距离所携带的能量，它与时间平方成正比关系[6]。由图 1-1 可知，我国海域平均波浪能功率密度较低，与欧和北太平洋区域等平均波浪能功率密度高的国家形成了鲜明的对比[7]，但我国论年平均功率总储量多达 12.84GM[8,9]，这表明我国波浪能具有巨大的开发潜浪能技术的研究具有重大的应用价值。为此，党的代表大会先后提出‘建设海、‘创新驱动发展’和‘加快建设海洋强国’[10]，加强海洋高科技的研究与利用步开展波浪能发电装置的研究提供了难得的机遇。

又被称为波浪能转换器[12,13]。在波浪能的研究中，为了便于区分和利，人们根据波浪能发电装置安装位置的不同将其分为离岸式、近岸式和靠岸式[14波浪能发电装置的固定方式又分为固定式和浮动式；根据俘获波浪能的方式又可荡水柱式、聚波越浪式和点吸收式[15-17]。除此之外，又不断衍生出了鸭式、摆式等波浪能发电装置[18]。当前研究和应用的波浪能发电装置一般由三个系统构成[19]，如图 1-2 所示。一级统：该系统直接与波浪接触，通过浮标、水池或其它俘能和储能装置将波浪的动能转化为机械能或势能。二级转换系统：该系统主要通过气压马达、空气叶轮、等装置将一级俘获系统转换而来的机械能或势能转换为更适合于驱动发电机运能。三级电能生成系统：该系统主要通过各种形式的发电机将二级转换系统转换量转换成电能，并通过变压器、逆变器或其它电力变换装置将品质不良的电能转持续稳定使用的电能[20]。

济南大学硕士学位论文布不均匀[24,25]。由于低能流密度海域波高较低，使得对波浪能的俘获或有效利定的困难。为开发低能流密度海域波浪能，郑崇伟等人研究了如图 1-3 所示的和“鸭式”波浪能发电装置[26-29]。“鹰式”和“鸭式”波浪能发电装置是依靠波浪推动发电装置两侧的浮体绕着电装置中部铰链旋转，将波浪能转化成液压能，实现能量的转换和利用。但是浪能发电装置的体型达到 12~36m，且针对广东等波高较大海域进行设计，限波高较低的近岸海域的运用。
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本文编号：2875681