浮體繩輪波浪發(fā)電系統(tǒng)研究.pdf

1、發(fā)展清潔可再生能源是應對能源緊缺、環(huán)境污染的必由之路，世界各國都在加緊實施清潔可再生能源的開發(fā)和利用。波浪能作為實際可開采量最高的海洋可再生能源，其開發(fā)和利用倍受世界各國的關(guān)注，且已研制出形式多樣的波浪能發(fā)電裝置。本文將采用浮體繩輪式波能發(fā)電系統(tǒng)對波浪能利用進行研究，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、布放成本低、波能轉(zhuǎn)換率高、適應性好，符合我國海域波浪周期短、能流密度低且臺風易發(fā)的特點。
　　本文充分總結(jié)國內(nèi)外振蕩浮子式波能發(fā)電裝置研發(fā)經(jīng)驗，融合自

2、主創(chuàng)新成果，利用理論分析、數(shù)值計算、數(shù)值模擬、模型實驗及樣機海試對浮體繩輪波浪發(fā)電系統(tǒng)中浮體在波浪中運動響應規(guī)律、浮體在外載荷下運動規(guī)律、系統(tǒng)最佳阻尼比以及系泊系統(tǒng)進行了深入研究。文中根據(jù)波浪基本理論及其適用性理論，結(jié)合海試區(qū)域波浪參數(shù)選定Stokes二階波理論作為研究基礎(chǔ)，同時闡述了浮體繩輪波浪發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計方案及其工作原理。
　　基于波浪理論建立理想狀態(tài)和實際狀態(tài)下自由浮體運動響應的運動模型，選取相同底面直徑，不同質(zhì)量的1

3、1組浮體進行了求解分析。編寫運動響應計算程序BuoyRopeDrumGS2014，實現(xiàn)根據(jù)波浪主要參數(shù)進行波浪理論判定，進而得到相應的速度勢及波面方程，結(jié)合浮體底面直徑、質(zhì)量等參數(shù)信息，對浮體的運動響應規(guī)律進行計算。結(jié)果表明，在理想狀態(tài)下相關(guān)學者提出的波能裝置的共振現(xiàn)象存在，理論上可以吸收到無窮大的能量，但同時發(fā)現(xiàn)由于受到浮體長度的限制，共振時浮體早已脫離水面，即運動系統(tǒng)不具有連續(xù)性，共振現(xiàn)象無法實現(xiàn)。
　　在自由浮體運動響應分析

4、的基礎(chǔ)上，分別采用頻域和時域分析法對負載作用下浮體運動響應及負載阻尼優(yōu)化進行了研究。頻域分析中以支承運動引起的強迫振動理論為依據(jù)，建立浮體運動響應模型，進行了復頻率響應分析，得到幅頻特性曲線和相頻特性曲線。根據(jù)振動理論中外力在振動周期內(nèi)對系統(tǒng)做功計算方法，推導出阻尼力在單周期內(nèi)的做功公式，獲得影響發(fā)電功率的主要因素。時域分析中考慮浮體上升和下降階段受力的差異性，采用分段函數(shù)建立浮體運動模型，利用BuoyRopeDrumGS2014計算不

5、同阻尼系數(shù)下浮體的運動軌跡，分析計算了發(fā)電功率與阻尼系數(shù)的關(guān)系。最后利用數(shù)值模擬方法對頻域和時域分析結(jié)果進行了驗證。
　　利用環(huán)境載荷分析及懸鏈線方程，建立單錨鏈系泊的浮體水平方向的運動模型，進而分析錨鏈對浮體水平限位性能。以單錨鏈系泊為基礎(chǔ)，對三錨鏈系泊系統(tǒng)下浮體的運動狀態(tài)進行了水動力學計算。結(jié)果表明，該錨泊系統(tǒng)能夠?qū)Ω◇w的水平限位以及繞z旋轉(zhuǎn)限位起到良好的作用，為系統(tǒng)發(fā)電提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
　　基于模型實驗相似理論研制了

6、實驗水池、造浪裝置、消波裝置及發(fā)電系統(tǒng)。針對自由浮體運動規(guī)律，采用了8個頻率，3種波高的波浪進行了24組實驗。結(jié)果顯示，共振現(xiàn)象確實存在，但浮體運動的穩(wěn)定性較差。針對帶負載發(fā)電系統(tǒng)運動響應及發(fā)電性能研究，選用了2種波浪周期，4個不同質(zhì)量的浮體進行了實驗，結(jié)果顯示，系統(tǒng)發(fā)電功率隨負載阻值的變化曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，存在最優(yōu)阻尼系數(shù)。浮體振幅和發(fā)電功率的變化規(guī)律均說明了共振現(xiàn)象的存在，共振現(xiàn)象可以提高系統(tǒng)的振幅和發(fā)電功率。但實驗現(xiàn)象顯