波浪能发电系统浮板的优化设计

发布时间：2019-11-21 06:03

【摘要】：针对波浪能发电系统设计中浮板能量转换效率低的问题,基于海南省某地现有波浪能发电实验站的波浪能采集装置,采用Fluent软件进行建模仿真的方法对其进行优化设计,提出一种优化摆式浮板的设计方案。比较原浮板和优化浮板在吸收波浪水平方向动能的能力、能量损耗、浮板积水问题等方面的差异,结果表明这种优化的摆式浮板能成功实现浮板在收集波浪水平动能能力上的提升,并且解决浮板积水问题,减小能量损耗,从而提高浮板能量转换效率。
【图文】：

波高,波浪,矩形区域,波浪周期

海洋而产生的，其实质是吸收风能而形成。能量传递速率与风速有关，也与风、水相互作用的距离有关。波浪能可以用波高、波长和波周期等特征来描述。单位波前宽度上的波浪功率计算公式为()222P=ρg64πHT≈0.5HT（1）式中：P为单位波前宽度上的波浪功率，kW/m；H为波高，m；T为波浪周期，s；ρ为海水密度，取1.025×103kg/m3；g为重力加速度，，取10m/s2。由式（1）可知，每米海岸线生产电能的大小，与波浪波高的平方成正比，与波浪周期成正比。以摆式浮板为例，建立简化的数学模型进行采集效率估算，如图1所示。波浪能按正弦波区域的势能近似可得：()()()111112sin10022sin0022120211ddd2sind28THwtTHwtTPgyytgytgHwttgHTρρρρ====∫∫∫∫（2）式中：P1为单位波前宽度上浮板采集的波浪功率，kW/m；H1为正弦波波高，m；T1为正弦波波浪周期，s；ω为角频率，rad/s；t为时间，s；y为位移，m。图1浮板的采集效率未能利用的能量按矩形区域的势能近似可得：2222222000022220ddd2d24ThThTgPgyytytghgthTρρρρ====∫∫∫∫（3）式中：P2为单位波前宽度上未能利用的波浪功率，kW/m；h为矩形区域波高，m；T2为矩形区域波浪周期（与T1相等），s。因此，采集效率η估算为21122121100%100%2PHPPHhη=×=×++（4）由以上分析可知：浮板的采集效率与浮板前后的波浪波高有关。当矩形区域波高h不变时，若浮板后正弦波高H1越大，则浮板采集效率越高；当正弦波波高H1不变时，若浮板前矩形区域波高h越小，

主视图,三视图,比例,单位

波浪能发电系统浮板的优化设计—73—3浮板性能分析与优化图3所示的波浪能发电系统位于海南省，是2013年从以色列引进的一台样机。其浮板设计厚度约为0.6m，实际吃水深度为0.118m。若考虑到内部支撑结构及液压杆对浮板的作用力，则浮板吃水深度约为0.16m～0.18m，原浮板质量为1174.9kg。图3波浪能采集子系统左视图图4为原浮板CAD三视图，由图可知，原浮板整体为水平状，其宽度约为3.8m，长度为4.0m，厚度约为0.6m。根据国家海洋监测资料和实地记录数据可知：南海海域发电站处平均浪高为1.2m，远高于浮板厚度；原浮板整体为水平状，一旦较大的浪涌通过浮板，大量海水将积聚在浮板上并抑制浮板向上的浮力，从而产生很大的能量损耗此外，浮板末端铰链结构与堤岸基础相连接，连结位置因考虑到浮板回收等问题而设置在较高位置。当海面处于低潮时，浮板会向下倾斜，则铰链位置悬空，此时浮板只有部分受到浮力作用，而且铰链位置应力会发生变化，从而加重波浪能损耗；当海面处于高潮位时，波浪通过时容易淹没浮板，造成巨大的波浪能损耗图4原浮板CAD三视图（单位：mm；比例：10∶1)考虑以上分析，在原有浮板的基础上，提出一种优化的浮板模型，如图5所示。该浮板模型不仅使用浮板底部作为吸收波浪能的载体，而且在前部增加了收集海水动能的集浪板。在保证浮板质量变化不大的基础上，同时增加浮板的厚度和吃水深度从图5中可看出，浮板吸收水平方向动能的能力将会得到提升，同时也可以解决波浪越过浮板的问题根据前期构想，建立图6所示的优化后浮板CAD三视图。从图中可看出，浮板长度由3.8m缩短为3.5m左右，宽度仍保持为4m，而厚度提高至1m左右的斜面主视图中三角形部分为集浪板，加上集浪板后浮板前端高度接近2m，与密封的浮板连?

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