漂浮式海浪发电装置的结构动力分析及控制研究

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目前,国际能源环境发生重大变化,以煤炭、石油、天然气等为主等传统型能源日益消耗,不仅给人们的生活生产提出了新的巨大的挑战,还带来了严重的环境问题,使人们不得不重视能源问题的迫切性,并引发了一系列的新能源的探索改革潮。通过新能源的开发和利用,不仅可以减缓能源危机,更能够为人们的生产和生活带来保障,并且在改善环境方面也能有所贡献。基于此,对海洋能源的研究日渐增多,海洋能是一种无污染的清洁能源,不仅种类繁多,而且储量丰富。目前,已经有好多国家都正在海洋能源的转化上做文章,海浪能是海洋能源的一种形式,它是海洋能中分布最广,最不受地域限制的一种能源,已经被开发用来发电,但是因海洋环境复杂多变,波浪高度变化剧烈,如何利用海浪能持久高效地发电成为一个难题。另外,如何采用科学手段预测海浪发电装置在海浪环境中的变形承压状况也成为研究的重点方向。2010年国家海洋局启动可再生能源专项资金项目(项目编号:GHME2010ZC01)“120kw漂浮式液压海浪发电站中试”,山东大学根据要求独立设计完成了一套海浪发电装置,本文利用ANSYS有限元软件对设计出的海浪发电装置进行动态响应分析,具体的工作如下:首先,描述了海浪发电装置的工作原理及其实施海域的海况,并对相关的波浪理论进行了概述。在熟悉了相关条件后设计出了一种海浪发电装置,利用大型三维软件Solidworks绘制出了海浪发电装置各部件的三维模型,并装配后得到了工作装置的三维模型。其次,分析了海浪发电装置在所述海域下的受力情况,建立了装置各部件的有限元模型,利用大型CAE软件ANSYS对其进行受力分析,静力分析得到了海浪发电装置各部件的强度刚度结果,并对装置进行了模态分析,预知了装置的固有频率,并与海浪冲击力的频率相比较。通过改进装置,避免了装置发生共振,使得装置能在稳定的情况下进行发电。装置在海浪中主要受到的是海浪冲击作用,这包括两种状态:一种是海浪冲击力规律地作用在装置上,另外一种是发生大风浪时巨大的海浪冲击力瞬时作用在本装置上。根据这两种情况,分别对海浪发电装置进行了谐响应分析以及瞬态动力学分析,结果表明:本设计装置能够经受住12级风浪下的海浪冲击力。本装置在2012年11月份进行了海试,期间本装置经受了8级大风浪的考验,进一步验证了理论的正确性。再次,对本装置的液压系统进行了建模,对各部分的传递函数进行了推导,利用MATLAB/SIMULINK软件对其进行了稳定性分析,并进行了PID控制分析,发现系统的跟随性能不是很理想,然后加入模糊自整定PID控制后重新对其仿真,仿真结果表明,加入模糊自整定PID控制环节后,其动态响应性能更加好。
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