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(yīng)對(duì)能源緊缺、環(huán)境污染的必由之路，世界各國(guó)都在加緊實(shí)施清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用。波浪能作為實(shí)際可開(kāi)采量最高的海洋可再生能源，其開(kāi)發(fā)和利用倍受世界各國(guó)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(duì)波浪能利用進(jìn)行研究，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布放成本低、波能轉(zhuǎn)換率高、適應(yīng)性好，符合我國(guó)海域波浪周期短、能流密度低且臺(tái)風(fēng)易發(fā)的特點(diǎn)。
　　本文充分總結(jié)國(guó)內(nèi)外振蕩浮子式波能發(fā)電裝置研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，融合自

2、主創(chuàng)新成果，利用理論分析、數(shù)值計(jì)算、數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)及樣機(jī)海試對(duì)浮體繩輪波浪發(fā)電系統(tǒng)中浮體在波浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律、浮體在外載荷下運(yùn)動(dòng)規(guī)律、系統(tǒng)最佳阻尼比以及系泊系統(tǒng)進(jìn)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(shí)闡述了浮體繩輪波浪發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案及其工作原理。
　　基于波浪理論建立理想狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)下自由浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型，選取相同底面直徑，不同質(zhì)量的1

3、1組浮體進(jìn)行了求解分析。編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算程序BuoyRopeDrumGS2014，實(shí)現(xiàn)根據(jù)波浪主要參數(shù)進(jìn)行波浪理論判定，進(jìn)而得到相應(yīng)的速度勢(shì)及波面方程，結(jié)合浮體底面直徑、質(zhì)量等參數(shù)信息，對(duì)浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，在理想狀態(tài)下相關(guān)學(xué)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(wú)窮大的能量，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于受到浮體長(zhǎng)度的限制，共振時(shí)浮體早已脫離水面，即運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不具有連續(xù)性，共振現(xiàn)象無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
　　在自由浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

4、的基礎(chǔ)上，分別采用頻域和時(shí)域分析法對(duì)負(fù)載作用下浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及負(fù)載阻尼優(yōu)化進(jìn)行了研究。頻域分析中以支承運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)理論為依據(jù)，建立浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型，進(jìn)行了復(fù)頻率響應(yīng)分析，得到幅頻特性曲線和相頻特性曲線。根據(jù)振動(dòng)理論中外力在振動(dòng)周期內(nèi)對(duì)系統(tǒng)做功計(jì)算方法，推導(dǎo)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(shí)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(yùn)動(dòng)模型，利用BuoyRopeDrumGS2014計(jì)算不

5、同阻尼系數(shù)下浮體的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析計(jì)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(duì)頻域和時(shí)域分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)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(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)而分析錨鏈對(duì)浮體水平限位性能。以單錨鏈系泊為基礎(chǔ)，對(duì)三錨鏈系泊系統(tǒng)下浮體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)計(jì)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(shí)驗(yàn)相似理論研制了

6、實(shí)驗(yàn)水池、造浪裝置、消波裝置及發(fā)電系統(tǒng)。針對(duì)自由浮體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用了8個(gè)頻率，3種波高的波浪進(jìn)行了24組實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，共振現(xiàn)象確實(shí)存在，但浮體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性較差。針對(duì)帶負(fù)載發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及發(fā)電性能研究，選用了2種波浪周期，4個(gè)不同質(zhì)量的浮體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，系統(tǒng)發(fā)電功率隨負(fù)載阻值的變化曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，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(shuō)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯