【摘要】：波浪能是一種清潔、儲量豐富的可再生能源,據(jù)統(tǒng)計(jì):如果我國近海的波浪能被利用,可以提供我國電力生產(chǎn)量的一半。在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分活躍的沿海地區(qū),電能的需求量十分巨大,而沿海地區(qū)正是開發(fā)波浪能的最佳位置,因此,開發(fā)我國近海的波浪能將具有重大意義。鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元具有一級能量轉(zhuǎn)換效率高的特性,具有非常廣闊的應(yīng)用前景。然而,鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元也存在著如下幾方面的問題:其普遍采用的液壓式負(fù)載具有中間傳動過程能量損耗大、維護(hù)成本高和油液泄露等缺點(diǎn);其能量轉(zhuǎn)換效率在波浪周期偏離裝置固有周期時(shí)顯著下降;其陣列的最優(yōu)布局并未得到充分的研究。本文針對上述問題,提出了以直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)作為鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元的負(fù)載、通過鎖定控制來提高鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元在波浪周期偏離裝置固有周期時(shí)的能量捕獲效率的方法,并開展鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元陣列最優(yōu)布局的研究。為了解決傳統(tǒng)鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元中液壓式負(fù)載存在的問題,本文以直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)作為鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元的負(fù)載,建立了鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元的基本運(yùn)動學(xué)模型,比較了直驅(qū)式和液壓式負(fù)載的能量捕獲效率,并分析了鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元存在的問題。結(jié)果表明:該方案可減少傳動過程中的能量損耗,并可降低維護(hù)成本、避免油液的泄露。用ANSYS AQWA軟件完成的數(shù)值分析表明:在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下,直驅(qū)式和液壓式負(fù)載波浪能捕獲能力是接近的,在波浪周期靠近裝置固有周期時(shí),鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元具有很高的能量捕獲效率;在波浪周期偏離裝置固有周期時(shí),其能量捕獲效率顯著下降。為了解決鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元在波浪周期偏離裝置固有周期時(shí)能量捕獲效率顯著下降的問題,本文研究了鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元的鎖定控制問題,建立了鎖定控制模型,得到了鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元的最優(yōu)鎖定控制策略,分析結(jié)果表明:隨著激勵(lì)力預(yù)測時(shí)間長度的增加,最大相對捕獲寬度逐漸增加,最優(yōu)負(fù)載阻尼系數(shù)逐漸減小;當(dāng)超過一定的激勵(lì)力預(yù)測時(shí)間之后,最大相對捕獲寬度和最優(yōu)負(fù)載阻尼系數(shù)將不會再有明顯的變化。應(yīng)用所提出的鎖定控制策略,可使最大相對捕獲寬度平均增加70%、最優(yōu)負(fù)載阻尼系數(shù)平均減少60%。構(gòu)建了鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),提出了在鎖定控制過程中鴨體處于斷續(xù)運(yùn)動狀態(tài)下的激勵(lì)力估計(jì)方法,完成了驗(yàn)證試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在規(guī)則波和不規(guī)則波作用下,鎖定控制都可有效提高鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元的能量捕獲效率、降低最優(yōu)負(fù)載阻尼系數(shù),在波浪周期偏離鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元固有周期時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果良好吻合,驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究了具有鎖定控制的鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元陣列的布局方案,分析了在最優(yōu)能量捕獲條件下影響陣列各單元水動力學(xué)交互作用的主要因素,建立了鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元陣列在頻域和時(shí)域中的運(yùn)動學(xué)模型,獲得了在鎖定控制條件下鴨式波浪能轉(zhuǎn)換單元陣列的最優(yōu)布局。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM612
【圖文】：

a) 振蕩水柱式[17]b) 越浪式[17]c) 振蕩浮子式[18]a) Oscillating water column[17]b) Overtopping type[17]c) Oscillating body[18]圖 1-1 波浪能轉(zhuǎn)換裝置Fig. 1-1 Wave energy converters（1）擺式。擺式裝置如圖 1-2(a)所示，其利用波浪中水質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動推動擺做縱蕩運(yùn)動[19]。因?yàn)楹Ｋ械牟ɡ四苤饕挥诤Ｃ嬉韵乱欢ㄉ疃葍?nèi)，所以通常擺面須穿透該區(qū)域以最大程度地獲取波浪能。擺式裝置的特點(diǎn)是：抗浪能力強(qiáng)，但是維護(hù)較為困難[20]。（2）垂蕩式。垂蕩式裝置如圖 1-2(b)所示，其浮子的尺寸遠(yuǎn)小于入射波的波長。利用類似于電磁學(xué)天線的原理，垂蕩式裝置可以捕獲大于其自身寬度的波浪能，而且對波浪的入射方向不敏感[19]。垂蕩式裝置的特點(diǎn)是：固有周期通常較低，且?guī)捿^窄[21]。（3）筏式。筏式裝置如圖 1-2(c)所示，其利用波面的形狀使得漂浮在水面上的若干浮子形成一定的夾角，從而驅(qū)動連接各浮子的液壓裝置將浮子的動能和勢能轉(zhuǎn)換成液壓能。在波浪力作用下，筏式裝置會順從波浪傳播的主方向[19]。通常，

c) 筏式[19]d) 鴨式[22]c) Raft type[19]d) Duck type[22]圖 1-2 振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置Fig. 1-2 Oscillating body devices1.3 鴨式波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)1974 年，英國 Edinburgh 大學(xué)的 Stephen Salter 教授在 Nature 期刊上發(fā)表文章，首次提出了一種高效的波浪能捕獲裝置[23]，因其形狀似鴨子，故取名為鴨式裝置。鴨式裝置的工作原理如圖 1-3 所示。波面的起伏帶動鴨體繞固定軸做縱搖擺動，驅(qū)動鴨體與軸之間的花鍵泵將液壓油壓向單向閥組，單向閥組將液壓油的往復(fù)流動轉(zhuǎn)變成單向流動后，將其推入高壓蓄能器，高低壓蓄能器之間穩(wěn)定的壓力差驅(qū)動液壓馬達(dá)并帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動輸出平穩(wěn)的電能。鴨體的腹部曲線迎合了波浪場中水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，因此能夠高效地與波浪耦合作用；鴨體的尾部曲線為以轉(zhuǎn)軸為中心的圓弧，鴨體的擺動不會向后輻射波浪，從而使得鴨式裝置具有很高的一級

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文能量轉(zhuǎn)換效率[22]。在鴨式裝置的二維實(shí)驗(yàn)中，其能量捕獲效率超過了 90%[6]，這可以從 1976 年 Jamie Taylor 延遲拍攝的二維水槽實(shí)驗(yàn)過程[6]看出：如圖 1-4 所示，鴨體兩側(cè)波浪的波高可以從圖中水面處的亮帶寬度得到，由于鴨體后側(cè)波高明顯小于前側(cè)，可知入射的波浪能被鴨體幾乎全部捕獲。從圖中示蹤粒子的運(yùn)動軌跡也可以看出：鴨體后側(cè)示蹤粒子的運(yùn)動幅度明顯小于前側(cè)，說明波浪在經(jīng)過鴨體之后能量得到了極大衰減。在 20 世紀(jì) 70 到 80 年代，鴨式裝置被認(rèn)為是最有競爭力的波浪能捕獲方案，得到了歐洲和美國的大量學(xué)者的深入研究[24-29]，包括鴨體縱搖軸的順從特性及其傾覆特性等。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 盛松偉;張亞群;王坤林;葉寅;游亞戈;;鷹式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電系統(tǒng)研究[J];可再生能源;2015年09期

2 盛松偉;張亞群;王坤林;王振鵬;吝紅軍;葉寅;;“鷹式一號”波浪能發(fā)電裝置研究[J];船舶工程;2015年09期

3 盛松偉;張亞群;王坤林;吝紅軍;王文勝;陳愛菊;;鷹式裝置“萬山號”總體設(shè)計(jì)概述[J];船舶工程;2015年S1期

4 李居躍;何宏舟;;波浪能采集裝置技術(shù)研究綜述[J];海洋開發(fā)與管理;2013年10期

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1 王海峰;考慮附屬浮筒的張力腿風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

2 趙文華;浮式液化天然氣裝備(FLNG)水動力性能的數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)研究[D];上海交通大學(xué);2014年

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1 李海龍;彈性儲能鴨式波浪能采集轉(zhuǎn)換器的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 丁波;超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓模具疲勞壽命研究[D];重慶交通大學(xué);2015年

本文編號：2783600