单桩基础风能-波浪能集成发电结构风浪联合分析

发布时间：2020-03-20 13:42

【摘要】：当今世界,绿色可持续发展已经成为一个重要趋势。同时,由于环境污染及能源危机问题日趋严重,寻找新型清洁能源已经成为热门话题。海上风力发电凭借其诸多优势,已成为世界可再生能源的热点。由于海风与海上波浪具有天然相关性,在风能富集的海域部分,波浪能资源也是较为丰富的。因此,本文拟提出一种固定式单桩基础风力机与垂荡式波浪能发电装置集成的新型发电结构系统。从自身角度考虑,此种新型集成发电结构系统不仅可以共享一套支撑结构以及配套的电力传输系统,还有益于降低单位发电成本。而且,此种集成结构系统可以提高海洋可再生能源的利用效率,节省海面空间,并且顺应国家构建可再生能源系统的重大战略需求,符合我国建设海洋强国的战略目标。本文主要研究内容及成果如下:(1)提出新型固定式单桩基础海上风力发电机-垂荡式波浪能发电装置集成结构系统的初步概念设计方案,其中风力发电机参考美国可再生能源试验(NREL)5MW风力发电机的相关数据信息。针对所提方案,获取波浪能发电装置初步优化的排水量以及动力输出装置(PTO系统)的设计参数,以便后文对其水动力性能的开展进一步研究。本文通过液压传动系统——PTO系统(Power-take-off)利用波浪能发电装置的垂向运动进行捕获波浪能,经过数值模拟验证,波浪能输出功率是较为可观的。(2)基于势流理论及多体动力学分析方法,本文对此集成发电结构系统的数值模型进行计算分析,重点开展其在不同典型海况下水动力特性的研究,其中包括波浪能发电装置的垂向运动特征,这是评估垂荡式波浪能发电装置的发电功率性能的重要参考依据;同时,对波浪能发电装置与单桩基础所受到的水动力荷载以及两者间的耦合作用力进行研究,所获取的荷载时程将应用于后文所研究的结构动力响应分析。(3)本文将此集成发电结构系统与本团队此前提出的张力腿式风能-波浪能集成发电结构系统的水动力性能进行对比分析,结果显示两者波浪能输出功率相差甚微,固定式单桩基础集成发电结构系统的发电功率略大一些,考虑到单桩基础成本较低,所以固定式单桩基础集成结构系统的方案更为可行。(4)将典型工况下获取的风载荷时程和水动力载荷时程以及多体耦合力时程输入到有限元结构模型中,对整个结构进行结构动力响应分析(关键部位应力分析)。通过模态分析可以排除此结构与波浪发生共振的可能性。对获得的结构应力进行强度安全校核,并提出优化设计方案。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM61;P743.2

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本文编号：2591859