海上波浪能与风能互补发电系统的关键技术研究

发布时间：2020-11-19 03:36

　　 海上波浪能与风能均是十分具有开发价值的可再生能源,但单一的能源利用存在开发成本高、稳定性差等诸多问题,多能互补成为了一种较为可行的方案。本文以垂直轴风力机以及阵列浮子波浪能发电装置组成的风浪互补发电系统作为研究对象,对系统中各个环节的关键技术问题进行了深入研究,主要包括垂直轴风力机的性能研究、阵列浮子的水动力性能研究、液压系统的传动特性及控制策略研究等,采用的方法手段涵盖了理论研究、仿真和实验研究。首先针对本文采用的摆臂式浮子、垂直轴风力机以及液压传动系统,分别开展了数学模型描述。根据势流理论,从频域和时域两个维度推导了摆臂式浮子在波浪场中的受力公式、运动方程、转轴作用力方程、输出功率及能量俘获效率的方程;讨论了两种求解垂直轴风力机气动性能的方法,一是基于多流管理论的数值求解,另一种是CFD模拟方法,并对两种方法中涉及到的数学模型进行了分析;分析了液压缸、液压泵、液压马达、蓄能器等关键部件的响应特性,然后针对波浪能独立发电子系统和风力独立发电子系统中各自采用的液压传动链、以及风浪互补耦合发电系统的液压传动链,分别开展了数学描述。然后对波浪能俘获装置开展了水动力性能研究,内容包括:对基于课题组承担的海洋可再生能源专项资金项目而开展的阵列浮子波浪能装置海试情况进行了分析,该装置采用了圆柱体浮子;在前期采用的圆柱浮子基础上开展进一步的优化,探讨了浮子形状、初始吃水深度、波浪入射角、以及PTO对浮子的运动响应和俘获宽度比的影响规律;研究了阵列浮子的间距、排布方式对各个浮子的运动响应的影响,并与单个浮子运动的情况进行了对比,为阵列浮子的优化布局提供了依据。次之,开展垂直轴风力机的气动性能优化研究,基于一台H型风力机组的海上试验数据分析了其启动性能和风能利用率等特性;在此基础上提出将H型风轮的叶片进行弯曲而形成的螺旋型风力机,采用了基于流管模型的MATLAB编程方法初步研究了螺旋型风轮的气动特性规律,然后通过计算精度更高的CFD数值模拟方法,研究了螺旋型风轮叶片数、弦长、高径比等对其风能利用系数、力矩系数变化的影响规律,并将优化后的风轮与同扫掠面积的H型风轮进行了对比,优化后的风轮载荷更均匀,既能避免静止启动过程中的死点情况,又能延长风力机的寿命。最后,针对常规的风浪互补系统中采用的风力发电子系统和波浪能发电子系统各自独立运行、在发电机后端进行能量叠加的方式存在的不足,提出了一种在液压系统端风浪能量耦合,液压马达和发电机小型化、模块化分组配置的系统能量集成方案。根据工况不同对系统采取不同的运行策略:1)风浪功率均很小时,各支路的液压油汇集到一路,驱动同一台液压马达运转,进而驱动发电机发电,以提高单机功率、效率和稳定性;2)当风浪功率偏离额定工况不多时,采取各自独立发电,通过液压蓄能器吸收短时的压力波动、调速回路进行功率追踪的运行方式;3)风浪功率高于额定工况时,投入备用液压马达和发电机,充分将能量捕获装置获取的波浪能和风能转换成电能,避免液压溢流和一定程度的弃风弃浪现象。论文中关于阵列浮子波浪能装置和H型垂直轴风力机的试验样机基本情况,在附录一中进行了详细介绍;基于论文的研究,完成了部分实验样机的设计和搭建,这些工作写在了附录二中。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM614;P743.2
【部分图文】：

图１－?２?ｗａｖｅ?ｓｔａｒ装置??Ｆｉｇ．?１－?１?Ｆ０３?ｄｅｖｉｃｅ?Ｆｉｇ．?１－?２?ｗａｖｅ?ｓｔａｒ?ｄｅｖｉｃｅ??

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本文编号：2889634