弹性储能鸭式波浪能采集转换器的研究

发布时间：2016-04-13 08:07

第 1 章 绪 论

目前，世界各国对能源的需求不断增加，而能源储量却日益减少，同时大量化石能源的使用又引发了严重的环境污染问题，这些问题已经成为阻碍人类社会向前发展的重大障碍。为有效地解决上述问题，需要增加开发可再生能源的力度。波浪能作为一种清洁、无污染能源，它具有能量品质好、能流密度大、成本低廉、分布广泛等优点。现今，许多沿海国家都在积极开发波浪能，并结合当地实际情况、基于不同理念，设计了大量形式、功能各异的波浪发电装置。波浪属于一种随机波，其空间分布复杂、传播速度慢、且存在往复运动，大多数波浪发电装置的转换效率通常较低，为提高波浪发电装置的转换效率，装置的结构设计往往过于复杂，这又容易出现输出不稳定、系统故障率升高等的问题，而且也大大增加了装置的建造成本。批量制造波浪能发电装置是降低成本最有力的手段，然而这一切必须建立在装置的低成本和高效率基础之上。总之，若要实现波浪能发电装置的产业化就必须在提高波浪能转换效率的同时尽量简化装置的结构，从而达到降低发电成本的目的。

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第 2 章 弹性储能鸭式波浪能采集转换器的总体结构设计及研究方法

2.1 引言

弹性储能鸭式波浪能采集转换器改良了以往的蓄能装置，以简单的弹簧机构取代了复杂的液压系统，大大简化了转换器的结构，减少了安装与维护的工程量，从而降低了发电成本。本章首先阐述了弹性储能鸭式波浪能采集转换器的总体研究方案，并设计了其具体的结构，同时分析了工作原理，然后给出了转换器的数值仿真方法，最后针对 Salter 鸭体模型介绍了 AQWA 软件的数值仿真流程。

2.2 弹性储能鸭式波浪能采集转换器的总体研究路线

该路线的具体研究流程为首先对转换器进行整体结构设计，然后针对Salter实验模型，求解其频域与时域的水动力学参量，同时将时域仿真结果与 Salter实验结果进行对比，，再根据波浪理论及鸭体频域参量的计算结果建立转换器的能量转换模型，并由正交试验设计方法仿真求解转换器的最优模型，最后通过模型实验验证仿真方法的准确性。弹性储能鸭式波浪能采集转换器的总体功能图如图 2-2 所示，转换器结构可分为两部分，第一部分为储能系统，主要包括扭力弹簧、鸭体、棘轮机构和鸭体中轴，鸭体在入射波浪作用下，随波浪上下起伏将波浪能转换为鸭体的机械能完成能量的一级转换，鸭体运动使扭力弹簧旋转将鸭体的机械能转换为弹簧的弹性势能完成能量的二级转换；第二部分为发电系统，主要包括增速器、齿轮泵、节流阀、以及发电机。鸭体中轴由扭力弹簧驱动旋转，并通过增速器增速及液压调速机构调速，最终带动发电机发电，该部分完成能量的第三级转换即储能弹簧弹性势能到电能的转换。

第 3 章 弹性储能鸭式波浪能采集转换器的频域研究.................21

3.1 引言................... 21
3.2 鸭体的频域仿真结果及分析.............21
3.3 液压阻尼系统下鸭体的时域仿真结果及分析............26
3.4 本章小结................28
第 4 章 鸭式波浪能采集转换器的弹性系统仿真及其结构参数优化研究..........29
4.1 引言............... 29
4.2 鸭式波浪能采集转换器的弹性系统仿真...........29
4.3 鸭式波浪能采集转换器的结构参数优化研究.....38
4.4 最优鸭体模型的时域特性分析.................41
4.5 本章小结..........................42
第 5 章 弹性储能鸭式波浪能采集转换器的实验研究................43
5.1 引言............ 43
5.2 仿真实物与实验模型间的换算关系............ 43
5.3 弹性储能鸭式波浪能采集转换器的实验系统搭建........................... 44
5.4 鸭体模型实验过程及结果分析.......47
5.5 本章小结..............50

第 5 章 弹性储能鸭式波浪能采集转换器的实验研究

5.1 引言

运用仿真方法分析弹性储能鸭式波浪能采集转换器的水动力学特性虽然可以节省大量人力、物力，然而其仿真结果的准确性仍需通过实验来验证。实物模型的水槽实验是研究海洋工程结构水动力学特性的有力手段，能直观的展现出转换器的实际运转过程，为此本章针对最优转换器模型设计了小模型实验，并将实验结果与仿真结果进行了对比分析。

5.2 仿真实物与实验模型间的换算关系

对于本文弹性储能鸭式波浪能采集转换器的物理模型实验，实验需要在造波水槽中进行，同时实验模型也需根据实物尺寸按相似准则缩小。通常海水中一直存在粘性力、重力、惯性力和压力的作用，每一种力对应一种相似准则，然而上述的相似准则很难同时满足，这时需要根据实际海洋情况确定主要作用力及相应的相似准则。弹性储能鸭式波浪能采集转换器的模型实验选择在哈尔滨工业大学土木学院的风浪联合实验室中进行，实验室分为大小两个实验段，大实验段作为风浪联合实验段可进行风洞和波浪实验，当进行波浪实验时，其下方的造波水槽可提供最大波高为 0.4m，周期为 0.5~5s 的线性波浪，水槽长 50m，宽 5m，工作水深 4.5m，造波机安装在首墙端，另一端设置消波装置，水槽下端有一个长10m，宽 5m，深 22.5m 的深井，深井中安装有可自由升降的平台，可与槽底处于同一平面，也可降到距槽底 22.5m 的深处，其具体布局如图 5-1 所示。

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结 论

本文的主要研究工作及相应结论总结如下：（1）在 Salter 鸭式装置的基础上，设计了新型弹性储能鸭式波浪能采集转换器的整体结构，结构中利用齿轮箱增加鸭体中轴转速，并通过齿轮泵与节流阀的液压组合系统调节鸭体中轴转速，基于简化结构、便于批量生产的目的，设计了通过棘轮装置使鸭体中轴沿单方向旋转的弹簧储能系统，并给出针对该系统的仿真方法。（2）利用 AQWA 软件对鸭体的频域与时域参量进行了仿真计算，其中频域计算参量包括鸭体附加质量、辐射阻尼、运动响应算子与波浪激励力响应算子，结果表明，当入射波浪频率处在低频或高频范围内时，由于鸭体运动产生的辐射力最小，即损失能量最少；时域仿真主要计算鸭体在不同频率的入射波浪作用下，其质心在横摇方向上的运动角位移、角速度、以及角加速度的时域特性曲线，根据时域仿真结果确定了转换器与波浪间相互作用的共振频率处于1.4rad/s 附近，且同 Salter 实验结果基本一致，即初步验证了 AQWA 软件的准确性。

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参考文献（略）

本文编号：37899