發(fā)布時間：2020-05-14 17:16

【摘要】：隨著海洋資源的利用和開發(fā),潮流能成為繼太陽能、風能之后的又一新型清潔能源。目前,由于成本、可靠性、能量轉(zhuǎn)換效率等因素的制約,全球潮流能的研究大多處于實驗階段,其中潮流能發(fā)電成本居高不下是阻礙其商業(yè)化的最大原因,所以對于每一種潮流能發(fā)電裝置,能否提高其能量捕獲機構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率,使其達到最佳減速比,降低發(fā)電成本,成為其是否具有發(fā)展?jié)摿Φ年P(guān)鍵。本文從機組模塊化的理念出發(fā),深入分析潮流能—電能轉(zhuǎn)換機理,開發(fā)了基于帶輪-葉片傳動原理的新型海洋能發(fā)電裝置。通過應用計算機有限元模擬技術(shù),建立葉片角度與能量收集效率之間的關(guān)系模型、入射箱體斜度與有效流速之間的關(guān)系模型,在三維場內(nèi)對其進行流場模擬,研究流場內(nèi)發(fā)生的物理現(xiàn)象及運動規(guī)律,綜合分析其迭代曲線、壓力分布、速度大小及其水流軌跡情況。并通過改變能量捕獲機構(gòu)葉片的角度和入射箱體的斜度,研究其最優(yōu)參數(shù)范圍,為裝置的設(shè)計和制造提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。論文首先對基于帶輪—活動葉片式的新型低潮流能裝置進行模型建立和理論研究。通過運用UG NX8.5三維建模技術(shù)對模型的工作原理和優(yōu)缺點進行分析,并對葉片擺角與潮流能收集效率關(guān)系模型和箱體結(jié)構(gòu)入射角度與潮流增速關(guān)系模型進行研究,提出潮流能~電能轉(zhuǎn)換理論。然后研究計算流體力學CFD的理論基礎(chǔ)和ANSYS FLUENT有限元模擬技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。通過分析流體流動的基本條件和計算流體力學區(qū)域離散化理念,對流體類型進行確定。并對ANSYS FLUENT有限元模擬技術(shù)的基本控制方程、湍流模型、邊界條件等關(guān)鍵參數(shù)進行研究,提出運用基于RNG k~ε湍流模型的流場對潮流能裝置進行有限元模擬計算。接下來運用ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件和ANSYS Fluent有限元分析軟件對低潮流裝置的能捕機構(gòu)葉片模型和入射箱體模型進行深入研究。通過ANSYS Fluent有限元分析軟件模擬流場環(huán)境,得出能捕機構(gòu)葉片和入射箱體的迭代曲線圖、壓力云圖、水流速度矢量圖和水流軌跡圖,繼而對能捕機構(gòu)葉片的受力狀態(tài)和入射箱體上水流速度的分布情況進行綜合分析。之后,對裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化研究。分別對能捕機構(gòu)葉片在5°、15°、25°、35°、45°時的關(guān)系模型和入射箱體在10°、20°、30°、40°和50°時的關(guān)系模型進行流場模擬,得出葉片壓力分布隨葉片角度的變化規(guī)律,流體速度分布隨箱體角度的變化規(guī)律,進而分析出葉片擺角和箱體入射角度的最優(yōu)參數(shù)范圍。最后,對新型低潮流發(fā)電裝置進行試驗測試。通過分別對裝置的關(guān)鍵部件和整機裝置進行模擬和實物測試,建立能量轉(zhuǎn)化效率數(shù)學模型,分析各參數(shù)與能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,進而得出其最優(yōu)參數(shù),為低潮流海洋能高效回收與利用裝置的設(shè)計提供了一定的借鑒和參考。
【圖文】：

充分開發(fā)潮流能資源，不僅是未來新能源的發(fā)展趨勢，也是國源戰(zhàn)略的重要一環(huán)[19-22]。海洋能裝備主要應用于發(fā)電，對于潮流能發(fā)電裝置影響其商業(yè)化道路的主運行成本居高不下，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，其成本高于火力發(fā)電 5～10 倍左右影響其成本最重要的因素是潮流能裝置能量捕獲機構(gòu)效率的高低，能捕機構(gòu)計制造是決定一臺潮流能設(shè)備優(yōu)劣的關(guān)鍵。本論文就是結(jié)合目前我國海域情況計一種轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電功率大、環(huán)境適應性強、易于安裝回收的低潮流高收與利用裝置。并運用有限元的分析思想，對其的能捕機構(gòu)葉片和入射箱體進行深入的研究，通過計算機模擬技術(shù)對流場進行建模、仿真和計算，并綜算結(jié)果進行多次計算機模擬實驗，分析出其最優(yōu)參數(shù)范圍，為設(shè)備的設(shè)計和提供依據(jù)和參考[23-27]。1.2 潮流能裝置能量轉(zhuǎn)換流程

圖 1.2 水平軸水輪機水平導流罩式水輪機，，如圖 1-3 所示，結(jié)構(gòu)上在水輪機葉輪外部增加了一個近似圓柱形的導流罩，是水平軸水輪機的改進型，新加坡公司的 AS 系列水輪機和愛爾蘭 OpenHydro 公司的 Open Centre 就是導流罩水輪機的代表。導流罩最主要作用為聚能和導流，通過其聚集能量，使能捕葉片的能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高，同時也使得水輪機葉輪工作環(huán)境得到一定的改善，葉片折損風險進一步降低。但是，高效的導流罩一般外形復雜，體積較大，設(shè)計和制造成本高，對材料的綜合性能要求也高，使海下安裝工作量和回收成本大大增加[37,38]。
【學位授予單位】：青島理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM612;P743

【參考文獻】

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