海上大功率风浪复合发电系统设计及关键技术

发布时间：2020-06-03 04:39

【摘要】：能源是科技和经济发展的命脉。化石能源(煤,石油,天然气)长期以来一直作为人类主要的能源来源,尽管推动着人类进步,也带来了越来越多的问题。海洋蕴藏着丰富的可再生能源,而且海洋能源是取之不尽,用之不竭的。充分利用海洋能源,是人类实现可持续发展的重要途径。海洋能源中风能和波浪能储量尤其显著,综合利用海上风能和波浪能是国际可再生能源利用领域的研究热点和学科前沿,具有巨大的意义。目前国际上尚没有出现具体的风浪复合发电系统的设计。本文提出了海上大功率风浪复合发电系统将无规则、不稳定的风能和波浪能均通过相同的介质液压能高效地吸收转换成稳定的电能,并对复合发电系统中的风力发电,波浪能发电,能量转换装置效率实验,波浪能发电布置拓扑及参数,复合发电单元和发电场进行了全面系统的设计,具体内容如下:(1)设计了一种可伸缩叶片的海上液压式风力发电系统。建立了风能转换系统的动力学模型;建立了可伸缩叶片速度追踪模型,找到了风轮直径与风速之间满足的关系以捕获最佳风能;建立了液压式风能转换系统的仿真平台,并分析了能量转换的输出性能。(2)设计了三自由度振荡浮子型波浪能发电装置的能量吸收界面。确定了波浪能发电装置的自由度为三个包括垂荡、纵摇和横摇;建立了该发电装置能量吸收的频域模型;比较了三种形状浮筒包括圆锥、圆柱和半球的性能,优选出半球形的浮筒;基于浮筒垂荡和纵摇(横摇)方向固有频率相等的条件,匹配了半球形浮筒的惯性参数;分析了不同尺寸半球形浮筒在随机海况下的适应性,为浮筒尺寸设计提供参考。(3)发明了三自由度波浪能发电装置并分析了其吸收性能。建立了三维波浪能传递机构的运动学模型;以Cummins方程和拉格朗日方程为基础,建立了波浪-浮筒-传递机构-能量转换装置的系统动力学模型;以垂荡和纵摇(横摇)方向的固有频率相等的条件,建立了传递机构参数的关系模型,设计了机构参数;搭建了系统动力学仿真平台分析了其功率特性,发现其额定海况下的吸收功率达到80%以上。(4)提出了功率回收方法测试了能量转换装置的效率。设计了功率回收的测试方案;搭建了测试方案的仿真平台验证了方案的可行性;测试了单缸静态的机械效率和容积效率;测试了能量转换装置的机械传动部分的功率损耗;基于功率回收方法搭建了能量转换装置的效率测试台测试了其在不同转速和不同压力下的总效率,结果表明其转换效率在80%左右。(5)设计了波浪能发电的布置拓扑及参数。建立了多波浪能发电装置能量吸收的频域模型;设计了波浪能发电场三角形布置拓扑的参数;分析了三角形布置拓扑的波浪能吸收性能与平台的关系,发现平台的存在对能量吸收产生了积极的影响;基于拓扑理论,以获得最佳影响系数为目标设计了由三角形拓扑单元组成的串联拓扑及参数。(6)提出了海上大功率风浪复合发电的原理,将无规则、不稳定的风能和波浪能均通过液压能转换为电能。设计了包含一个风机和三个波浪能发电装置的15MW风浪复合发电单元;最后设计了包含五个单元的82MW风浪复合发电场。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P743.2;TM61

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