浮式平台与波浪能装置混合系统的能量转换特性研究

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振荡浮子式波能转换装置是一种转换效率很高的波浪能转换装置,但其研发及建造成本昂贵,严重制约了高效波浪能转换装置的发展。同时,浮式平台自身需要消耗电力维持平台的正常运转。利用波浪能发电,为浮式平台供电,实现平台清洁用电。同时波浪能转换装置与浮式平台耦合,降低了平台运动和系泊受力,提高浮式平台稳定性。因此,将浮式平台与振荡浮子式波浪能转换装置集成,既能降低成本,减少环境污染,又可以提高浮式平台生存能力和作业能力。
  本文基于势流理论,应用高阶边界元方法,建立了波浪与三维浮体相互作用的线性频域模型。并利用基于粘性计算流体动力学(CFD)理论的Star-CCM软件模拟浮子的静水自由衰减,考虑粘性影响,对势流结果进行修正。然后,应用所建立的数值模型,研究了在动力输出装置(Power Take-Off,PTO)最优阻尼下单个波浪能装置的浮子粘性和底部形状对能量转换性能的影响。
  本文基于对单个波能浮子的能量转换特性研究,将波能装置与浮式平台集成开展进一步研究。首先研究了平台固定情况下,不同阵列方式、不同共振周期和不同底部形状波能装置的发电功率以及平台受力变化;然后研究了平台运动情况下,不同阵列方式和不同底部形状波能装置的发电功率以及平台运动和系泊受力变化,并与波能装置放置于平台周围对比,分析了波能浮子阵列、浮子直径吃水比、浮子底部形状对能量转换特性的影响。除此之外,本文还分析了波能浮子与平台的耦合作用对波能转换装置性能、平台运动和系泊受力的影响。
  结果表明:对于单个波能装置来说,直径吃水比越大,粘性影响越小,能量转换性能越好,与已知结论一致;对于不同底部来说,半球底和锥底的转换性能相似且优于平底。对于混合系统来说,不同底部的波能浮子能量转换性能与单个波能装置的结论一致;将波能装置与固定平台集成和将波能浮子放置于固定平台周围,都可以减少平台纵摇力矩,提高平台稳定性,但前者减小幅度更大。当平台运动时,一定频段范围内波能装置的功率有增加,且减小平台纵摇运动和系泊的纵摇受力。而从发电性能和提高平台稳定性来看,将波能浮子与平台集成方案更优。
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