漂浮式鹰式波浪能发电装置研究

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能源是发展国民经济的资源基础,但是大量化石能源的消耗不仅导致了严重的环境污染和资源枯竭,而且引起了环境的承受能力以及能源安全等众多问题,迫使人们改变过分依赖化石能源的格局,选择发展可再生能源,建立清洁、环境友好和可持续的多元化能源结构。海洋能是一种可再生的清洁能源。在所有海洋能资源中,波浪能资源储量最为可观,并且开发利用波浪能有就地取材、使用方便、分布广泛、带来重要的经济及社会效益,波浪能装置建造和维护方便等优点。  波浪能发电技术不成熟、海洋环境的恶劣导致了波浪能利用发电成本过高,阻碍了波浪能发电技术的发展。要到达降低波浪发电成本的目的,必须同时达到高效率、高可靠性、高寿命和低成本(三高一低),这些也是学者们研究波浪能装置的共识。我国位于大洋西岸,波浪能能流密度较低,约为大洋东岸波浪能能流密度的十分之一,研发高效率、高可靠性的波浪能装置显得尤为重要。在基于上述“三高一低”研究目标下,广州能源所提出了新型的波浪能装置——“漂浮式鹰式波浪能发电装置”。  鹰式波浪能发电装置是一个集成的综合性的波浪能利用设备。在研发初期,许多关键技术需要进一步深入研究。本文通过理论分析、数值模拟、模型试验三种研究方法相结合,对鹰式波浪能发电装置开展了全面的研究。  理论分析。开展了鹰式波浪能装置的水动力学分析、锚泊系统力学分析、能量转换系统子系统参数分析。基于线性波理论,通过力学分析建立了双吸波浮体的鹰式波浪能装置的力学模型,求得水动力学系数。通过分析鹰式波浪能发电装置的液压式PTO系统的特性,建立了蓄能稳压系统的蓄能量的数学模型,液压马达的力矩平衡方程。基于单点悬链线法,通过锚泊系统力学分析,建立了在风、浪、流综合作用下的鹰式波浪能装置的单点系泊系统的力学模型。另外,对鹰式振荡浮子波浪能装置开展了数值模拟,分析了鹰式吸波浮体的波浪激励力、附加质量、阻尼系数等水动力学参数,得出阻碍装置俘获波浪能的纵摇运动模态的运动幅度在六种模态中最大,提出了进一步优化装置设计方案的思路。  数值模拟。对水动力学模型、蓄能稳压系统蓄能量数学模型、锚泊系统力学模型进行了数值模拟。水动力学方面,获得了不同周期下不同阻尼系数下的转换效率,确定了不同周期下最高转换效率下获得的最优固定外加阻尼。以及在此最优固定外加阻尼条件下,获得的的鹰头吸波浮体和水下附体各运动模态的运动幅值、最佳效率曲线、铰接力、阻尼力、液压缸运动速度等数据。蓄能稳压系统方面,通过预设蓄能器容量,获得预充压力、最高工作压力和最低工作压力之间的关系曲线。锚泊系统方面,忽略风、流两者作用,将鹰头吸波浮体的纵摇运动模态按照角度大小分解为工作姿态1、工作姿态2、工作姿态3三种,获得了在周期4-7s的单位波幅入射波浪作用下的锚链力、锚泊力,其中周期5.2时工作姿态1两种力数值上均最大。  模型试验。开展了关于鹰式波浪能装置的水动力学模型试验、PTO系统样机试验、电机选型试验、单点锚泊系统试验。水动力学试验包括二维、三维水槽试验,囊括了鹰式波浪能装置的五个模型。PTO系统样机试验,验证了输出的电功率与输入液压功率之间的跟随性,获得了液压阻尼系数高能量转换效率高的结论,取得了系统转换效率关键在于系统工作压力结果。电机选型试验将交流永磁同步发电机和三相交流同步发电机对比研究,最终前者获得较高品质的电能,稳定的输出,较高的转换效率,较低的维护成本。单点锚泊系统试验,进行了1/13.78模型试验,获得了1.2-2.8s周期下的锚泊力与锚链力,得到周期1.4s时锚泊力及锚链力均达到最大值,验证了数值模拟的结果。
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