海上波浪能與風(fēng)能均是十分具有開發(fā)價值的可再生能源,但單一的能源利用存在開發(fā)成本高、穩(wěn)定性差等諸多問題,多能互補(bǔ)成為了一種較為可行的方案。本文以垂直軸風(fēng)力機(jī)以及陣列浮子波浪能發(fā)電裝置組成的風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象,對系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究,主要包括垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能研究、陣列浮子的水動力性能研究、液壓系統(tǒng)的傳動特性及控制策略研究等,采用的方法手段涵蓋了理論研究、仿真和實(shí)驗(yàn)研究。首先針對本文采用的擺臂式浮子、垂直軸風(fēng)力機(jī)以及液壓傳動系統(tǒng),分別開展了數(shù)學(xué)模型描述。根據(jù)勢流理論,從頻域和時域兩個維度推導(dǎo)了擺臂式浮子在波浪場中的受力公式、運(yùn)動方程、轉(zhuǎn)軸作用力方程、輸出功率及能量俘獲效率的方程;討論了兩種求解垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的方法,一是基于多流管理論的數(shù)值求解,另一種是CFD模擬方法,并對兩種方法中涉及到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析;分析了液壓缸、液壓泵、液壓馬達(dá)、蓄能器等關(guān)鍵部件的響應(yīng)特性,然后針對波浪能獨(dú)立發(fā)電子系統(tǒng)和風(fēng)力獨(dú)立發(fā)電子系統(tǒng)中各自采用的液壓傳動鏈、以及風(fēng)浪互補(bǔ)耦合發(fā)電系統(tǒng)的液壓傳動鏈,分別開展了數(shù)學(xué)描述。然后對波浪能俘獲裝置開展了水動力性能研究,內(nèi)容包括:對基于課題組承擔(dān)的海洋可再生能源專項(xiàng)資金項(xiàng)目而開展的陣列浮子波浪能裝置海試情況進(jìn)行了分析,該裝置采用了圓柱體浮子;在前期采用的圓柱浮子基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的優(yōu)化,探討了浮子形狀、初始吃水深度、波浪入射角、以及PTO對浮子的運(yùn)動響應(yīng)和俘獲寬度比的影響規(guī)律;研究了陣列浮子的間距、排布方式對各個浮子的運(yùn)動響應(yīng)的影響,并與單個浮子運(yùn)動的情況進(jìn)行了對比,為陣列浮子的優(yōu)化布局提供了依據(jù)。次之,開展垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能優(yōu)化研究,基于一臺H型風(fēng)力機(jī)組的海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了其啟動性能和風(fēng)能利用率等特性;在此基礎(chǔ)上提出將H型風(fēng)輪的葉片進(jìn)行彎曲而形成的螺旋型風(fēng)力機(jī),采用了基于流管模型的MATLAB編程方法初步研究了螺旋型風(fēng)輪的氣動特性規(guī)律,然后通過計算精度更高的CFD數(shù)值模擬方法,研究了螺旋型風(fēng)輪葉片數(shù)、弦長、高徑比等對其風(fēng)能利用系數(shù)、力矩系數(shù)變化的影響規(guī)律,并將優(yōu)化后的風(fēng)輪與同掃掠面積的H型風(fēng)輪進(jìn)行了對比,優(yōu)化后的風(fēng)輪載荷更均勻,既能避免靜止啟動過程中的死點(diǎn)情況,又能延長風(fēng)力機(jī)的壽命。最后,針對常規(guī)的風(fēng)浪互補(bǔ)系統(tǒng)中采用的風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)和波浪能發(fā)電子系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行、在發(fā)電機(jī)后端進(jìn)行能量疊加的方式存在的不足,提出了一種在液壓系統(tǒng)端風(fēng)浪能量耦合,液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)小型化、模塊化分組配置的系統(tǒng)能量集成方案。根據(jù)工況不同對系統(tǒng)采取不同的運(yùn)行策略:1)風(fēng)浪功率均很小時,各支路的液壓油匯集到一路,驅(qū)動同一臺液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電,以提高單機(jī)功率、效率和穩(wěn)定性;2)當(dāng)風(fēng)浪功率偏離額定工況不多時,采取各自獨(dú)立發(fā)電,通過液壓蓄能器吸收短時的壓力波動、調(diào)速回路進(jìn)行功率追蹤的運(yùn)行方式;3)風(fēng)浪功率高于額定工況時,投入備用液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī),充分將能量捕獲裝置獲取的波浪能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能,避免液壓溢流和一定程度的棄風(fēng)棄浪現(xiàn)象。論文中關(guān)于陣列浮子波浪能裝置和H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)基本情況,在附錄一中進(jìn)行了詳細(xì)介紹;基于論文的研究,完成了部分實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計和搭建,這些工作寫在了附錄二中。
【學(xué)位單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM614;P743.2
【部分圖文】：

圖１－?２?ｗａｖｅ?ｓｔａｒ裝置??Ｆｉｇ．?１－?１?Ｆ０３?ｄｅｖｉｃｅ?Ｆｉｇ．?１－?２?ｗａｖｅ?ｓｔａｒ?ｄｅｖｉｃｅ??

?Ｔｆ?１風(fēng)力機(jī)?，．ｖ＿＾ｎｒＩｌ＾ｓ＾??（＇Ｄ藏丨丨蓄電麵??風(fēng)機(jī)［ＳＳ］－－爿控■｝－－???隱電機(jī)充ｙ??圖１－８大管島風(fēng)力／光伏／波浪能發(fā)電系統(tǒng)?圖１－９擔(dān)桿島綜合能源發(fā)電系統(tǒng)??Ｆｉｇ．?１－?８?Ｗｉｎｄ?／?Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ?／?Ｗａｖｅ?Ｐｏｗｅｒ?Ｆｉｇ．?１?－?９?Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ?ｅｎｅｒｇｙ?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ??Ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?Ｄａｇｕａｎ?Ｉｓｌａｎｄ?Ｇａｎｄａｎ?Ｉｓｌａｎｄ??２００９年，廣東省海洋與漁業(yè)管理局提出了以潮汐發(fā)電廠為基地，在淺海灘建設(shè)??海上水庫儲蓄波浪和潮流沖擊的海水用以發(fā)電，同時，在水庫周圍的堤岸上部署風(fēng)??力發(fā)電機(jī)的綜合能源利用計劃，但最終并未得以實(shí)施［１２＜）１。??華北電力大學(xué)的顧煜炯教授團(tuán)隊設(shè)計研發(fā)出丫一種海上綜合能源發(fā)電平臺，垂??直軸風(fēng)力機(jī)安裝于平臺之上，平臺兩側(cè)布置陣列浮子波浪能裝置，風(fēng)力發(fā)電和波浪??發(fā)電系統(tǒng)均采用液壓傳動，最后通過液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)發(fā)電。該平臺于２０１４年７??月２０日投放于廈門土嶼海域海試運(yùn)行，并穩(wěn)定運(yùn)行３個多月，裝置能量利用效率??達(dá)到了設(shè)計要求｜Ｉ２ＩＵＩ２２１＇１１２３１。??２０１２年

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本文編號：2889634