波浪能是一種具有重要開發(fā)和商業(yè)應(yīng)用潛力的清潔能源,目前有多種波浪能發(fā)電裝置用于高能流密度海域。相比之下,占全球海域近40%的低能流密度海域開發(fā)不足,具有離岸近,布置及運(yùn)行成本低等優(yōu)勢的波浪能發(fā)電裝置關(guān)鍵性技術(shù)研究不夠,如何優(yōu)化浮標(biāo)的水動力性能,提升俘能功率正成為低能流密度海域波浪能發(fā)電裝置需要解決的首要任務(wù)。針對低能流密度海域波浪運(yùn)動特點(diǎn),本文研究了一種適用于山東半島海洋環(huán)境的新型密封浮標(biāo)式波浪能發(fā)電裝置。借助有限元軟件ANSYS建立浮標(biāo)的數(shù)值模型,運(yùn)用水動力計(jì)算軟件AQWA開展波浪能轉(zhuǎn)換數(shù)值分析,進(jìn)而進(jìn)行了低能流密度下浮標(biāo)的水動力性能和俘能功率研究以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化組合。首先,研究了頻域下浮標(biāo)形狀、質(zhì)量和直徑改變對浮標(biāo)水動力性能及受力的影響,計(jì)算得到時(shí)域下基于浮標(biāo)形狀、質(zhì)量和直徑的浮標(biāo)縱搖時(shí)程響應(yīng),研究了俘能功率隨浮標(biāo)形狀、質(zhì)量和直徑變化的規(guī)律,探討了不同系泊角度下浮標(biāo)的時(shí)程響應(yīng)。其次,基于頻域分析法,研究了浮標(biāo)與波浪共振狀態(tài)下浮標(biāo)形狀、質(zhì)量和直徑與海浪波長間的相互關(guān)系,分析了浮標(biāo)參數(shù)對浮標(biāo)與波浪共振狀態(tài)的影響規(guī)律,獲得了俘能功率與波長間的相互關(guān)系。最后,基于單因素下浮標(biāo)參數(shù)與浮標(biāo)水動力性能和俘能功率的關(guān)系,運(yùn)用正交試驗(yàn)法研究了多浮標(biāo)參數(shù)耦合作用對浮標(biāo)俘能功率大小的影響,并以俘能功率為優(yōu)化目標(biāo)對浮標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。通過上述研究,得出以下結(jié)論:(1)低能流密度下,圓柱形浮標(biāo)的水動力性能和俘能功率皆優(yōu)于半球形浮標(biāo);一定程度的增加質(zhì)量或增大直徑可提高浮標(biāo)的水動力性能和俘能功率;45°角系泊波浪能發(fā)電裝置可獲得最大縱搖時(shí)程響應(yīng)值。3~5m直徑圓柱形浮標(biāo)的縱搖RAO隨質(zhì)量(2.2~4.2t)的增加逐漸增加,俘能功率先增加后減小;圓柱形浮標(biāo)的縱搖RAO隨浮標(biāo)直徑的增加(2~5m)先增加后減小,直徑4m時(shí)達(dá)到最大值。(2)相同直徑下,圓柱形浮標(biāo)最適用波長約為半球形浮標(biāo)的0.45倍;增加質(zhì)量可使浮標(biāo)與波長更長的波浪形成新的共振狀態(tài);直徑由2m增加至3m時(shí),浮標(biāo)與波長更長波浪形成共振狀態(tài),直徑由3m增加至5m時(shí),除4.2t,4m直徑浮標(biāo)外,浮標(biāo)與波長更短的波浪形成共振狀態(tài);4~5m直徑浮標(biāo)取得最大俘能功率時(shí)的波長范圍約為7~14m。(3)質(zhì)量為2.2~4.2t,直徑為2~5m的圓柱形浮標(biāo),通過正交試驗(yàn)優(yōu)選出的最佳浮標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:質(zhì)量為4.2t、浮標(biāo)直徑為4m的密封浮標(biāo)式波浪能發(fā)電裝置在波長為14m左右的低能流密度海域可實(shí)現(xiàn)最大波浪能俘獲。該組合方案廣泛適用于渤海海峽及黃海大部分海域。
【學(xué)位單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM612;P743.2
【部分圖文】：

能源的開發(fā)與利用是推動人類社會不斷進(jìn)步的動力。面對化石、煤炭和天然氣生能源消耗殆盡的局面，以及化石能源引起的全球氣候變化、環(huán)境污染和酸雨問題[1,2]，眾多專家、學(xué)者在積極不斷地研究、尋找新的綠色能源，比如：風(fēng)能、可燃冰、海洋能以及頁巖氣等[3,4]。其中，能量密度以及儲量巨大的波浪能是的能源之一。圖 1-1 是全球平均波浪能功率密度等值線及波向分布圖[5]。平均波浪能功率密義為沿波浪傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)波浪通過單位距離所攜帶的能量，它與時(shí)間平方成正比關(guān)系[6]。由圖 1-1 可知，我國海域平均波浪能功率密度較低，與歐和北太平洋區(qū)域等平均波浪能功率密度高的國家形成了鮮明的對比[7]，但我國論年平均功率總儲量多達(dá) 12.84GM[8,9]，這表明我國波浪能具有巨大的開發(fā)潛浪能技術(shù)的研究具有重大的應(yīng)用價(jià)值。為此，黨的代表大會先后提出‘建設(shè)海、‘創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展’和‘加快建設(shè)海洋強(qiáng)國’[10]，加強(qiáng)海洋高科技的研究與利用步開展波浪能發(fā)電裝置的研究提供了難得的機(jī)遇。

又被稱為波浪能轉(zhuǎn)換器[12,13]。在波浪能的研究中，為了便于區(qū)分和利，人們根據(jù)波浪能發(fā)電裝置安裝位置的不同將其分為離岸式、近岸式和靠岸式[14波浪能發(fā)電裝置的固定方式又分為固定式和浮動式；根據(jù)俘獲波浪能的方式又可蕩水柱式、聚波越浪式和點(diǎn)吸收式[15-17]。除此之外，又不斷衍生出了鴨式、擺式等波浪能發(fā)電裝置[18]。當(dāng)前研究和應(yīng)用的波浪能發(fā)電裝置一般由三個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成[19]，如圖 1-2 所示。一級統(tǒng)：該系統(tǒng)直接與波浪接觸，通過浮標(biāo)、水池或其它俘能和儲能裝置將波浪的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或勢能。二級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要通過氣壓馬達(dá)、空氣葉輪、等裝置將一級俘獲系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來的機(jī)械能或勢能轉(zhuǎn)換為更適合于驅(qū)動發(fā)電機(jī)運(yùn)能。三級電能生成系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要通過各種形式的發(fā)電機(jī)將二級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換量轉(zhuǎn)換成電能，并通過變壓器、逆變器或其它電力變換裝置將品質(zhì)不良的電能轉(zhuǎn)持續(xù)穩(wěn)定使用的電能[20]。

濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文布不均勻[24,25]。由于低能流密度海域波高較低，使得對波浪能的俘獲或有效利定的困難。為開發(fā)低能流密度海域波浪能，鄭崇偉等人研究了如圖 1-3 所示的和“鴨式”波浪能發(fā)電裝置[26-29]�！苞検健焙汀傍喪健辈ɡ四馨l(fā)電裝置是依靠波浪推動發(fā)電裝置兩側(cè)的浮體繞著電裝置中部鉸鏈旋轉(zhuǎn)，將波浪能轉(zhuǎn)化成液壓能，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和利用。但是浪能發(fā)電裝置的體型達(dá)到 12~36m，且針對廣東等波高較大海域進(jìn)行設(shè)計(jì)，限波高較低的近岸海域的運(yùn)用。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2875681