摆式波能转换装置研究

发布时间：2020-05-20 01:07

【摘要】：海洋波浪能是海洋能源中最为丰富的能量形式之一，它是一种可再生能源，开发利用波浪能进行发电已经有二个多世纪。目前随着人口增加，能源消耗量的上升，石油、天然气等常规能源的消耗殆尽以及环境污染的日益严重，人们不得不开始关注新的能源形式，这种能源形式的开发利用必须是符合环境友好、经济可行的可再生能源以及可持续发展的理念。因此时代呼吁新能源技术的高速发展，新能源能量的转换、存储和传输的理论与技术是21世纪能源与工程的前沿性课题。选择海洋波浪能的利用开发作为博士课题是对人类社会发展中能源问题的深刻思考与正确认识，，更是时代背景赋予当代青年的重任与义务。相信未来属于可再生能源，我们需要创新的技术途径。相信波浪能转换技术将在未来的能源市场中将发挥至关重要的作用。在查阅大量相关文献的基础上对当前波能转换装置的研究进展以及现状进行了解，对波能转换装置的技术难点和关键点进行分析的基础上选择摆式波能转换装置作为研究对象。首先开展了固定铰接摆式波能转换装置的物理模型实验研究，对不同模型形状进行优化筛选，对负载阻尼进行寻优，对不同压载工况进行比较并研究了装置系统不同能量转换阶段的各级转换效率。其次基于势流理论对物理模型进行了二维和三维分析计算；从理论角度研究了固定铰接摆式波能转换装置的水动力性能并和实验结果进行了比较分析。再次从实型设计和开展装置实海况试验的目的出发，在实验室进行了基于漂浮阵列布置的摆式波能转换装置的实验研究，进行了不同的模型组合排列布置方式下波浪能的总转换效率的大小比较，得出了在实验排列组合范围内的最佳波能转换形式。并且对传统的摆式波能装置的能量吸收方式进行了改进，提出了“摆式振荡浮子”的方案，即同时对摆式模型进行摇摆和垂荡两个自由度方向上的能量进行吸收，试验证明这种方案是可行的，进一步为实型设计、制造以及实海况实验提供了依据和参考。最后在上述大量试验和理论研究的基础上，进行了波能装置的实型设计、施工和实海况试验。采用了“摆式振荡浮子”的方案，对部分摆式波能装置进行了摇摆和垂荡两个自由度的复合波能吸收。通过实海况实验，突破了若干关键技术，对装置设备的各项性能进行了海试，主要有阵列装置的独立稳定发电能力；水下可靠的控制与监控性能；适应不同海况的升沉压载性能；具有一定抗浪能力的系泊与自保护系统；可靠的结构形式及生存能力等。并进一步改进了波浪发电设备，提高了发电效率，降低了建造成本。实海况试验证明了基于漂浮阵列布置的摆式波能转换装置的可行性，为该种形式的波能转换装置的实用化和工程化提供了技术支持和工程经验。综上，基于自主创新漂浮阵列布置的“摆式振荡浮子”方案多种组合的实验优化，结合中国沿海波浪能密度较低以及远海波能资源比较丰富的现实，提出并成功实现了适用于海上布放的漂浮式阵列摆式波能转换装置。首次实现了对该种装置的远程操控，视频监控，通讯监测等主动控制方式，提高了系统的安全性和人机互动性。区别于传统的摆式波能转换装置的单一运动模态，首次实现了对波能转换装置进行摇摆和垂荡两个自由度方向同时进行波能转换的复合模式实海况实验。通过对浮式基础的压载主动控制，实现了对波能转换装置系统适应不同波况和吃水的灵活性掌握，克服了传统固定式装置对岸基的依赖，使其更加适应环境潮位的变化。
【图文】：

研究文献,振荡水柱,波能转换装置,波能装置

图 1-2 研究文献(截至 2011 年)Fig 1-2 Literature research不同于风力和太阳能发电，波能发电装置的形式有很多类型。发电在过去的 2，不完全统计已经超过 1000 多种波能转换装置的专利出现。对波能发电系统有不同的方法，有的按照工作原理，如振荡水柱(Oscillating water column，19-22]；振荡浮子(Oscillating buoy)；聚波越浪式(Overtopping)[23-27]；铰接iculated pendulum)[7,14,28-32]等等。还有一些结合海工建筑物，如防波堤等多功能电装置的研究出现[13]。按照安装类型分为固定式(海底固定，岸基固定)，漂浮泊系统)；按照安装地点又分为岸基式(shoreline)，近海 (near-shore)以及深海(of下面将对几种比较主要和常见的波能转换装置进行介绍。.1 振荡水柱波能装置研究进展及现状振荡水柱式波能装置(OWC)是最早出现的类型之一，由于其结构形式，所以这

波能装置,波能转换装置

(BBDB)式漂浮式振荡水柱型波能转换装置(见图 1-4)。中国、韩国、丹麦和爱尔兰等国家都对这种类型的波能转换装置进行了研究和实验，目前最主要的应用主要是海上航标灯。2006 年爱尔兰建成了一座 1/4 比例的海试模型[42]。Might Whale 是日本建造的漂浮振荡水柱式波能转换装置，长 50m，宽 30m，吃水 12m，排水量约 4400t，装机功率 110KW。于 1998 年建造成功并开始运行[43]。其工作原理同 1976 年建造的 Kaimei 相同，不同的是 Kaimei 的发电机是纵向布置的，前排的发电量较大，后面的就相对较小。而 MightWhale 则改变了这一布置方式，采用并排布置，提高了波能的发电效率。Sloped Buoy和 Spar Buoy 也是基于振荡水柱的概念而设计的波能转换装置[44]，这两种类型的装置研究文献和工程应用相对较少。我国对振荡水柱波能转换装置的研究主要由中科院广州能源所承担，从上世纪 90年代至今已经建成的主要有珠海大万山 3KW 波力电站，1996 年升级至 20KW。2001 年在广东省汕尾市遮浪镇建成了首台 100KW 的振荡水柱式波能发电装置[45]。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM612;P743.2

【参考文献】