碟型越浪式波能發(fā)電裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

發(fā)布時(shí)間：2020-05-12 04:43

【摘要】：波浪能的開(kāi)發(fā)利用可緩解當(dāng)前日益緊張的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)海洋能資源豐富且分布于東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，具備開(kāi)發(fā)利用的廣闊前景。碟型越浪式波能發(fā)電裝置作為一種新型越浪式波能轉(zhuǎn)換裝置，具備轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)性好及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本文在前期工作基礎(chǔ)上展開(kāi)研究，著重考察能量的二次轉(zhuǎn)換過(guò)程，采用理論分析、物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)裝置各部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并完成系統(tǒng)裝配。前期研究成果表明，原始裝置可提供的水頭較低，現(xiàn)有水輪機(jī)難以正常工作，本文提出兩種適應(yīng)于低水頭水力開(kāi)發(fā)的水輪機(jī):曲面葉片式和軸流槳葉式，分析其結(jié)構(gòu)形式及工作原理，由基本水力參數(shù)，完成兩種水輪機(jī)的初步選型設(shè)計(jì)。對(duì)兩種水輪機(jī)葉片進(jìn)行受力分析，采用物理模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)合的方法研究?jī)煞N轉(zhuǎn)輪的工作性能。本文在自行設(shè)計(jì)的水輪機(jī)模型試驗(yàn)水箱中進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，對(duì)曲面葉片式水輪機(jī)，導(dǎo)流裝置的設(shè)置對(duì)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩及輸出功率等性能參數(shù)均產(chǎn)生較大影響，應(yīng)選取性能較好的流道模型作為進(jìn)一步考察的對(duì)象;對(duì)軸流槳葉式轉(zhuǎn)輪，流量是控制輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。兩種轉(zhuǎn)輪的對(duì)比結(jié)果表明，軸流槳葉式轉(zhuǎn)輪工作性能整體優(yōu)于曲面葉片式。本文進(jìn)行曲面葉片水輪機(jī)的二維數(shù)值模擬，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)、葉片角等參數(shù)，獲取優(yōu)化后的葉形參數(shù);建立軸流槳葉式水輪機(jī)的三維數(shù)值模型，考察流量、轉(zhuǎn)速對(duì)輸出性能的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，上述兩種水輪機(jī)均可用于低水頭發(fā)電，但對(duì)于本文涉及的碟型越浪式裝置而言，軸流槳葉式更具優(yōu)勢(shì)。研究水輪機(jī)正常工作對(duì)流量水頭的要求發(fā)現(xiàn)，原始裝置提供的流量遠(yuǎn)大于水輪機(jī)的需求，裝置收集的大部分越浪量并未參與做功，而是直接溢出蓄水庫(kù)，造成越浪量的損失。故裝置的原始設(shè)計(jì)不合理，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。本文建立越浪式波能發(fā)電裝置的越浪一出流水力數(shù)值模型，經(jīng)驗(yàn)證該模型能較準(zhǔn)確地描述裝置的越浪一出流過(guò)程，可在該數(shù)值模型中進(jìn)行系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化分析。本研究首先對(duì)越浪系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，獲取裝置內(nèi)外徑、引浪面斜率、裝置高度等幾何參數(shù)與越浪量的關(guān)系;在AQWA中對(duì)裝置漂浮狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水平放置的底面板不利于裝置維持自身平衡，易產(chǎn)生較大的縱搖及垂蕩，而底面板傾斜有利于減小縱搖及垂蕩幅度，減小自由漂浮的運(yùn)動(dòng)響應(yīng);對(duì)出流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，建立出水管管長(zhǎng)、管徑與出流量的關(guān)系，得出圓錐形蓄水池具備良好的出流效果和較高輸出效率的結(jié)論;裝置錨固方式初步選定為用錨鏈張力腿型式，由六根張力腿錨固于海底的錨固基礎(chǔ)上，裝置的垂蕩及縱搖狀況均較為理想，可滿足正常工作要求。本研究完成碟型越浪式波能發(fā)電裝置越浪系統(tǒng)、出流系統(tǒng)、低水頭水力發(fā)電系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化分析，給出優(yōu)化后的各部分幾何尺寸，，最終完成系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及裝配方案。
【圖文】：