第 1 章 緒 論

目前，世界各國對能源的需求不斷增加，而能源儲量卻日益減少，同時大量化石能源的使用又引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，這些問題已經(jīng)成為阻礙人類社會向前發(fā)展的重大障礙。為有效地解決上述問題，需要增加開發(fā)可再生能源的力度。波浪能作為一種清潔、無污染能源，它具有能量品質(zhì)好、能流密度大、成本低廉、分布廣泛等優(yōu)點�，F(xiàn)今，許多沿海國家都在積極開發(fā)波浪能，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況、基于不同理念，設(shè)計了大量形式、功能各異的波浪發(fā)電裝置。波浪屬于一種隨機波，其空間分布復(fù)雜、傳播速度慢、且存在往復(fù)運動，大多數(shù)波浪發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率通常較低，為提高波浪發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率，裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往過于復(fù)雜，這又容易出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定、系統(tǒng)故障率升高等的問題，而且也大大增加了裝置的建造成本。批量制造波浪能發(fā)電裝置是降低成本最有力的手段，然而這一切必須建立在裝置的低成本和高效率基礎(chǔ)之上�？傊�，若要實現(xiàn)波浪能發(fā)電裝置的產(chǎn)業(yè)化就必須在提高波浪能轉(zhuǎn)換效率的同時盡量簡化裝置的結(jié)構(gòu)，從而達到降低發(fā)電成本的目的。

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第 2 章 彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究方法

2.1 引言

彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器改良了以往的蓄能裝置，以簡單的彈簧機構(gòu)取代了復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，大大簡化了轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，減少了安裝與維護的工程量，從而降低了發(fā)電成本。本章首先闡述了彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體研究方案，并設(shè)計了其具體的結(jié)構(gòu)，同時分析了工作原理，然后給出了轉(zhuǎn)換器的數(shù)值仿真方法，最后針對 Salter 鴨體模型介紹了 AQWA 軟件的數(shù)值仿真流程。

2.2 彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體研究路線

該路線的具體研究流程為首先對轉(zhuǎn)換器進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后針對Salter實驗?zāi)Ｐ�，求解其頻域與時域的水動力學(xué)參量，同時將時域仿真結(jié)果與 Salter實驗結(jié)果進行對比，，再根據(jù)波浪理論及鴨體頻域參量的計算結(jié)果建立轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換模型，并由正交試驗設(shè)計方法仿真求解轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)模型，最后通過模型實驗驗證仿真方法的準(zhǔn)確性。彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的總體功能圖如圖 2-2 所示，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)可分為兩部分，第一部分為儲能系統(tǒng)，主要包括扭力彈簧、鴨體、棘輪機構(gòu)和鴨體中軸，鴨體在入射波浪作用下，隨波浪上下起伏將波浪能轉(zhuǎn)換為鴨體的機械能完成能量的一級轉(zhuǎn)換，鴨體運動使扭力彈簧旋轉(zhuǎn)將鴨體的機械能轉(zhuǎn)換為彈簧的彈性勢能完成能量的二級轉(zhuǎn)換；第二部分為發(fā)電系統(tǒng)，主要包括增速器、齒輪泵、節(jié)流閥、以及發(fā)電機。鴨體中軸由扭力彈簧驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，并通過增速器增速及液壓調(diào)速機構(gòu)調(diào)速，最終帶動發(fā)電機發(fā)電，該部分完成能量的第三級轉(zhuǎn)換即儲能彈簧彈性勢能到電能的轉(zhuǎn)換。

第 3 章 彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的頻域研究.................21

3.1 引言................... 21
3.2 鴨體的頻域仿真結(jié)果及分析.............21
3.3 液壓阻尼系統(tǒng)下鴨體的時域仿真結(jié)果及分析............26
3.4 本章小結(jié)................28
第 4 章 鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的彈性系統(tǒng)仿真及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究..........29
4.1 引言............... 29
4.2 鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的彈性系統(tǒng)仿真...........29
4.3 鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究.....38
4.4 最優(yōu)鴨體模型的時域特性分析.................41
4.5 本章小結(jié)..........................42
第 5 章 彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的實驗研究................43
5.1 引言............ 43
5.2 仿真實物與實驗?zāi)Ｐ烷g的換算關(guān)系............ 43
5.3 彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的實驗系統(tǒng)搭建........................... 44
5.4 鴨體模型實驗過程及結(jié)果分析.......47
5.5 本章小結(jié)..............50

第 5 章 彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的實驗研究

5.1 引言

運用仿真方法分析彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的水動力學(xué)特性雖然可以節(jié)省大量人力、物力，然而其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性仍需通過實驗來驗證。實物模型的水槽實驗是研究海洋工程結(jié)構(gòu)水動力學(xué)特性的有力手段，能直觀的展現(xiàn)出轉(zhuǎn)換器的實際運轉(zhuǎn)過程，為此本章針對最優(yōu)轉(zhuǎn)換器模型設(shè)計了小模型實驗，并將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行了對比分析。

5.2 仿真實物與實驗?zāi)Ｐ烷g的換算關(guān)系

對于本文彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的物理模型實驗，實驗需要在造波水槽中進行，同時實驗?zāi)Ｐ鸵残韪鶕?jù)實物尺寸按相似準(zhǔn)則縮小。通常海水中一直存在粘性力、重力、慣性力和壓力的作用，每一種力對應(yīng)一種相似準(zhǔn)則，然而上述的相似準(zhǔn)則很難同時滿足，這時需要根據(jù)實際海洋情況確定主要作用力及相應(yīng)的相似準(zhǔn)則。彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的模型實驗選擇在哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院的風(fēng)浪聯(lián)合實驗室中進行，實驗室分為大小兩個實驗段，大實驗段作為風(fēng)浪聯(lián)合實驗段可進行風(fēng)洞和波浪實驗，當(dāng)進行波浪實驗時，其下方的造波水槽可提供最大波高為 0.4m，周期為 0.5~5s 的線性波浪，水槽長 50m，寬 5m，工作水深 4.5m，造波機安裝在首墻端，另一端設(shè)置消波裝置，水槽下端有一個長10m，寬 5m，深 22.5m 的深井，深井中安裝有可自由升降的平臺，可與槽底處于同一平面，也可降到距槽底 22.5m 的深處，其具體布局如圖 5-1 所示。

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結(jié) 論

本文的主要研究工作及相應(yīng)結(jié)論總結(jié)如下：（1）在 Salter 鴨式裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了新型彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中利用齒輪箱增加鴨體中軸轉(zhuǎn)速，并通過齒輪泵與節(jié)流閥的液壓組合系統(tǒng)調(diào)節(jié)鴨體中軸轉(zhuǎn)速，基于簡化結(jié)構(gòu)、便于批量生產(chǎn)的目的，設(shè)計了通過棘輪裝置使鴨體中軸沿單方向旋轉(zhuǎn)的彈簧儲能系統(tǒng)，并給出針對該系統(tǒng)的仿真方法。（2）利用 AQWA 軟件對鴨體的頻域與時域參量進行了仿真計算，其中頻域計算參量包括鴨體附加質(zhì)量、輻射阻尼、運動響應(yīng)算子與波浪激勵力響應(yīng)算子，結(jié)果表明，當(dāng)入射波浪頻率處在低頻或高頻范圍內(nèi)時，由于鴨體運動產(chǎn)生的輻射力最小，即損失能量最少；時域仿真主要計算鴨體在不同頻率的入射波浪作用下，其質(zhì)心在橫搖方向上的運動角位移、角速度、以及角加速度的時域特性曲線，根據(jù)時域仿真結(jié)果確定了轉(zhuǎn)換器與波浪間相互作用的共振頻率處于1.4rad/s 附近，且同 Salter 實驗結(jié)果基本一致，即初步驗證了 AQWA 軟件的準(zhǔn)確性。

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參考文獻（略）

本文編號：37899