【摘要】：波浪能是一種清潔、儲量豐富的可再生能源,據(jù)統(tǒng)計:如果我國近海的波浪能被利用,可以提供我國電力生產量的一半。在我國經濟發(fā)展十分活躍的沿海地區(qū),電能的需求量十分巨大,而沿海地區(qū)正是開發(fā)波浪能的最佳位置,因此,開發(fā)我國近海的波浪能將具有重大意義。鴨式波浪能轉換單元具有一級能量轉換效率高的特性,具有非常廣闊的應用前景。然而,鴨式波浪能轉換單元也存在著如下幾方面的問題:其普遍采用的液壓式負載具有中間傳動過程能量損耗大、維護成本高和油液泄露等缺點;其能量轉換效率在波浪周期偏離裝置固有周期時顯著下降;其陣列的最優(yōu)布局并未得到充分的研究。本文針對上述問題,提出了以直驅式旋轉發(fā)電機作為鴨式波浪能轉換單元的負載、通過鎖定控制來提高鴨式波浪能轉換單元在波浪周期偏離裝置固有周期時的能量捕獲效率的方法,并開展鴨式波浪能轉換單元陣列最優(yōu)布局的研究。為了解決傳統(tǒng)鴨式波浪能轉換單元中液壓式負載存在的問題,本文以直驅式旋轉發(fā)電機作為鴨式波浪能轉換單元的負載,建立了鴨式波浪能轉換單元的基本運動學模型,比較了直驅式和液壓式負載的能量捕獲效率,并分析了鴨式波浪能轉換單元存在的問題。結果表明:該方案可減少傳動過程中的能量損耗,并可降低維護成本、避免油液的泄露。用ANSYS AQWA軟件完成的數(shù)值分析表明:在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下,直驅式和液壓式負載波浪能捕獲能力是接近的,在波浪周期靠近裝置固有周期時,鴨式波浪能轉換單元具有很高的能量捕獲效率;在波浪周期偏離裝置固有周期時,其能量捕獲效率顯著下降。為了解決鴨式波浪能轉換單元在波浪周期偏離裝置固有周期時能量捕獲效率顯著下降的問題,本文研究了鴨式波浪能轉換單元的鎖定控制問題,建立了鎖定控制模型,得到了鴨式波浪能轉換單元的最優(yōu)鎖定控制策略,分析結果表明:隨著激勵力預測時間長度的增加,最大相對捕獲寬度逐漸增加,最優(yōu)負載阻尼系數(shù)逐漸減小;當超過一定的激勵力預測時間之后,最大相對捕獲寬度和最優(yōu)負載阻尼系數(shù)將不會再有明顯的變化。應用所提出的鎖定控制策略,可使最大相對捕獲寬度平均增加70%、最優(yōu)負載阻尼系數(shù)平均減少60%。構建了鴨式波浪能轉換單元實驗系統(tǒng),提出了在鎖定控制過程中鴨體處于斷續(xù)運動狀態(tài)下的激勵力估計方法,完成了驗證試驗,實驗結果表明:在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下,鎖定控制都可有效提高鴨式波浪能轉換單元的能量捕獲效率、降低最優(yōu)負載阻尼系數(shù),在波浪周期偏離鴨式波浪能轉換單元固有周期時,實驗結果與數(shù)值計算結果良好吻合,驗證了本文數(shù)值計算結果的準確性。研究了具有鎖定控制的鴨式波浪能轉換單元陣列的布局方案,分析了在最優(yōu)能量捕獲條件下影響陣列各單元水動力學交互作用的主要因素,建立了鴨式波浪能轉換單元陣列在頻域和時域中的運動學模型,獲得了在鎖定控制條件下鴨式波浪能轉換單元陣列的最優(yōu)布局。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM612
【圖文】：

a) 振蕩水柱式[17]b) 越浪式[17]c) 振蕩浮子式[18]a) Oscillating water column[17]b) Overtopping type[17]c) Oscillating body[18]圖 1-1 波浪能轉換裝置Fig. 1-1 Wave energy converters（1）擺式。擺式裝置如圖 1-2(a)所示，其利用波浪中水質點的橫向運動推動擺做縱蕩運動[19]。因為海水中的波浪能主要位于海面以下一定深度內，所以通常擺面須穿透該區(qū)域以最大程度地獲取波浪能。擺式裝置的特點是：抗浪能力強，但是維護較為困難[20]。（2）垂蕩式。垂蕩式裝置如圖 1-2(b)所示，其浮子的尺寸遠小于入射波的波長。利用類似于電磁學天線的原理，垂蕩式裝置可以捕獲大于其自身寬度的波浪能，而且對波浪的入射方向不敏感[19]。垂蕩式裝置的特點是：固有周期通常較低，且?guī)捿^窄[21]。（3）筏式。筏式裝置如圖 1-2(c)所示，其利用波面的形狀使得漂浮在水面上的若干浮子形成一定的夾角，從而驅動連接各浮子的液壓裝置將浮子的動能和勢能轉換成液壓能。在波浪力作用下，筏式裝置會順從波浪傳播的主方向[19]。通常，

c) 筏式[19]d) 鴨式[22]c) Raft type[19]d) Duck type[22]圖 1-2 振蕩浮子式波浪能轉換裝置Fig. 1-2 Oscillating body devices1.3 鴨式波浪能轉換技術1974 年，英國 Edinburgh 大學的 Stephen Salter 教授在 Nature 期刊上發(fā)表文章，首次提出了一種高效的波浪能捕獲裝置[23]，因其形狀似鴨子，故取名為鴨式裝置。鴨式裝置的工作原理如圖 1-3 所示。波面的起伏帶動鴨體繞固定軸做縱搖擺動，驅動鴨體與軸之間的花鍵泵將液壓油壓向單向閥組，單向閥組將液壓油的往復流動轉變成單向流動后，將其推入高壓蓄能器，高低壓蓄能器之間穩(wěn)定的壓力差驅動液壓馬達并帶動發(fā)電機轉動輸出平穩(wěn)的電能。鴨體的腹部曲線迎合了波浪場中水質點的運動軌跡，因此能夠高效地與波浪耦合作用；鴨體的尾部曲線為以轉軸為中心的圓弧，鴨體的擺動不會向后輻射波浪，從而使得鴨式裝置具有很高的一級

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文能量轉換效率[22]。在鴨式裝置的二維實驗中，其能量捕獲效率超過了 90%[6]，這可以從 1976 年 Jamie Taylor 延遲拍攝的二維水槽實驗過程[6]看出：如圖 1-4 所示，鴨體兩側波浪的波高可以從圖中水面處的亮帶寬度得到，由于鴨體后側波高明顯小于前側，可知入射的波浪能被鴨體幾乎全部捕獲。從圖中示蹤粒子的運動軌跡也可以看出：鴨體后側示蹤粒子的運動幅度明顯小于前側，說明波浪在經過鴨體之后能量得到了極大衰減。在 20 世紀 70 到 80 年代，鴨式裝置被認為是最有競爭力的波浪能捕獲方案，得到了歐洲和美國的大量學者的深入研究[24-29]，包括鴨體縱搖軸的順從特性及其傾覆特性等。

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 盛松偉;張亞群;王坤林;葉寅;游亞戈;;鷹式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電系統(tǒng)研究[J];可再生能源;2015年09期

2 盛松偉;張亞群;王坤林;王振鵬;吝紅軍;葉寅;;“鷹式一號”波浪能發(fā)電裝置研究[J];船舶工程;2015年09期

3 盛松偉;張亞群;王坤林;吝紅軍;王文勝;陳愛菊;;鷹式裝置“萬山號”總體設計概述[J];船舶工程;2015年S1期

4 李居躍;何宏舟;;波浪能采集裝置技術研究綜述[J];海洋開發(fā)與管理;2013年10期

5 蘇永玲,謝晶,葛茂泉;振蕩浮子式波浪能轉換裝置研究[J];上海水產大學學報;2003年04期

相關博士學位論文 前2條

1 王海峰;考慮附屬浮筒的張力腿風機系統(tǒng)動力學及結構強度研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 趙文華;浮式液化天然氣裝備(FLNG)水動力性能的數(shù)值分析及實驗研究[D];上海交通大學;2014年

相關碩士學位論文 前2條

1 李海龍;彈性儲能鴨式波浪能采集轉換器的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

2 丁波;超高強度鋼板熱沖壓模具疲勞壽命研究[D];重慶交通大學;2015年

本文編號：2783600