【摘要】：相比其它形式的海洋可再生能源,波浪能具有能流密度高和分布范圍廣的優(yōu)點(diǎn),其時空分布特性決定了波浪發(fā)電技術(shù)在海島和深遠(yuǎn)海的資源開發(fā)方面具有特殊的優(yōu)勢和廣闊應(yīng)用前景,但波浪發(fā)電裝置走向成熟需要經(jīng)過理論研究、初步設(shè)計(jì)、數(shù)值優(yōu)化、模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)海況驗(yàn)證五個階段性的漫長循環(huán)過程,同時發(fā)電裝置在獲取波浪能的同時還可能承受各種極端波浪的破壞作用,因此目前波浪發(fā)電產(chǎn)品常常因其性價比不高而未實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,在制約其產(chǎn)業(yè)化的眾多技術(shù)難點(diǎn)中,裝置的水動力性能優(yōu)化是一個重點(diǎn)環(huán)節(jié),其研究將具有重要的水動力學(xué)理論意義和工程實(shí)際意義。本文將針對一種新型的密閉氣動式雙浮體波浪發(fā)電裝置進(jìn)行研究,裝置的核心技術(shù)是通過上下浮體間的相對垂蕩運(yùn)動捕獲能量,裝置的上浮體質(zhì)量和外形設(shè)計(jì)對裝置吸收波浪能的影響最為直接,同時裝置受到的極端波浪力的安全性問題也最為突出,因而裝置上浮體的水動力性能優(yōu)化對于裝置的吸收能量效率和安全性能都十分重要,另外裝置的陣列化研究對于波浪發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化也具有重要意義,另外因?yàn)橄挡床糠謱υ撗b置主要起到水平限位的作用,為了突出本文的研究重點(diǎn),文中的研究暫時忽略了系泊部分的影響。文中首先開展了上浮體最優(yōu)型式的確定工作,為此本文選取了三種簡單常見的上浮體形狀,分析比較了上浮體形狀參數(shù)對自由垂蕩雙浮體水動力響應(yīng)的影響;并考慮雙浮體波浪發(fā)電裝置的能量采集輸出系統(tǒng)是線性的彈簧阻尼系統(tǒng),基于勢流理論建立雙浮體系統(tǒng)在垂蕩方向上的頻域運(yùn)動方程并求解,理論分析發(fā)現(xiàn)阻尼對系統(tǒng)固有周期及垂蕩運(yùn)動的影響較大,而剛度的影響較小;進(jìn)一步利用AQWA對雙浮體系統(tǒng)在規(guī)則波下進(jìn)行時域分析,得到了雙浮體系統(tǒng)的垂蕩運(yùn)動響應(yīng)及對波浪能的瞬時吸收功率,為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,本文還對三種不同上浮體型式的發(fā)電裝置進(jìn)行了規(guī)則波物理模型實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模型計(jì)算的時域結(jié)果進(jìn)行對比基本吻合,通過以上研究確定了在本文波浪范圍條件下合適質(zhì)量的平底柱形為上浮體的最優(yōu)型式。其次,為了考慮雙浮體裝置在惡劣海況極端波浪作用下的安全性能,文中基于一種特殊的極端隨機(jī)波浪——畸形波生成理論,采用Matlab建立了畸形波生成的數(shù)值模型,進(jìn)而利用AQWA-Drift導(dǎo)入畸形波的波面時程曲線進(jìn)行時域分析,得到雙浮體系統(tǒng)的垂蕩響應(yīng)并進(jìn)行裝置的可靠性分析,結(jié)果表明在畸形波作用瞬間,系統(tǒng)的垂蕩位移、速度和波浪力都劇烈變化,雙浮體間的彈簧張力和單點(diǎn)系泊的纜繩張力也產(chǎn)生瞬間極大突變,這些對裝置的可靠性來說都是極其不利的,文中基于計(jì)算結(jié)果給出了裝置加強(qiáng)的可靠建議。最后,考慮到未來波浪發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,文中在雙浮體系統(tǒng)水動力性能優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上,針對直線式、矩形式和圓周式三種陣列形式,基于AQWA建立的頻域和時域數(shù)值模型對陣列波浪發(fā)電裝置展開了優(yōu)化研究,研究不同排列方式、排列間距及波浪參數(shù)對波浪能裝置陣列系統(tǒng)的運(yùn)動特性及吸收效率的影響,最終確定在本文波浪范圍條件下合適間距的圓周式陣列是最為理想的陣列模型。本文通過理論解析、數(shù)值計(jì)算和物模實(shí)驗(yàn)三種研究手段分析了不同波浪條件下一種新型雙浮體波浪發(fā)電裝置的水動力學(xué)性能,開展了不同上浮體型式優(yōu)化、陣列形式的優(yōu)化和極端波浪條件下的安全可靠性等研究工作,最終的研究成果和建議可為我國的波浪發(fā)電利用研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有意義的科學(xué)參考價值。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P743.2;TM612
【圖文】：

置系統(tǒng)吸收波浪能效率的影響，尋找適合我國實(shí)際海況波能密度偏低這一特性的陣列布置方式和布置間距，為預(yù)測陣列式波浪發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出、優(yōu)化控制以及大規(guī)模應(yīng)用提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。1.2 波浪能分布1.2.1 全球波浪能的分布海洋表面波浪具有的動能和勢能的總和稱為波浪能。波浪能的大小與波浪周期、波高的平方和迎波面的寬度呈現(xiàn)正比例關(guān)系。對比其它可再生的海洋能源，波浪能具有分布范圍最廣、能流密度大和品味最高的特點(diǎn)，同時在時空分布角度上來看也是能量最不穩(wěn)定的。從空間上看，不同地域波浪能的能量密度分布差別很大；從時間上看，季節(jié)引起的海況變化使得波浪能具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。也正是由于波浪能具有的空間分布差異性及其時間隨機(jī)可變性，要實(shí)現(xiàn)有效利用波浪能發(fā)電的目標(biāo)比其他形式的可再生能源都顯得更加困難。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文所示為全球海域的年平均波浪能流密度分布圖，從圖 1-1 中可以看出全世界大部分海域的波浪能流密度都在 10kW/m 以上，其中最強(qiáng)的是南半球西風(fēng)帶，高達(dá) 60～100kW/m，北半球則大概為 30～50kW/m。波浪能大小的分布與緯度有關(guān)，緯度較高的海域波浪條件較好，波浪能儲存量相當(dāng)可觀，尤其是緯度 40°～60°的南北半球。另外，赤道兩側(cè)30°內(nèi)的信風(fēng)海域由于存在規(guī)律的低速風(fēng)，其波浪條件也較好。像英國沿海、美國西海岸以及新西蘭南部沿海存在盛風(fēng)區(qū)或長風(fēng)區(qū)的海域，波浪能流密度一般都較高，波浪能開發(fā)條件是非常理想的。

第一章 緒論在全球海域的波浪資源中雖然不占優(yōu)勢，但是仍然有適渤海、東海北部以及南海中南部的年平均值在 10kW/m 以對較大，在 10kW/m 以上。觀測資料統(tǒng)計(jì)，我國沿海地區(qū)以及海島附近的波浪能十分發(fā)利用的約 0.7～1.7 億 kW，具有廣闊的開發(fā)利用前景[7]2m，年平均波浪能流密度為 5～8kW/m；其中渤海海域波浪能流密度為 3～5kW/m。沿岸的波浪能流密度分布情況，結(jié)合自然環(huán)境條件，在選時，應(yīng)該綜合考慮波浪能流密度、季節(jié)變化、平均潮差以的浙江、福建沿岸是波浪能重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，其次是廣東的段和長江口。

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本文編號：2800979