碟型越浪式波能發(fā)電裝置的系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化研究

發(fā)布時間：2020-05-12 04:43

【摘要】：波浪能的開發(fā)利用可緩解當(dāng)前日益緊張的能源危機和環(huán)境問題。我國海洋能資源豐富且分布于東部經(jīng)濟發(fā)達的沿海地區(qū)，具備開發(fā)利用的廣闊前景。碟型越浪式波能發(fā)電裝置作為一種新型越浪式波能轉(zhuǎn)換裝置，具備轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)性好及可靠性高等優(yōu)點。本文在前期工作基礎(chǔ)上展開研究，著重考察能量的二次轉(zhuǎn)換過程，采用理論分析、物理模型試驗及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對裝置各部分參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并完成系統(tǒng)裝配。前期研究成果表明，原始裝置可提供的水頭較低，現(xiàn)有水輪機難以正常工作，本文提出兩種適應(yīng)于低水頭水力開發(fā)的水輪機:曲面葉片式和軸流槳葉式，分析其結(jié)構(gòu)形式及工作原理，由基本水力參數(shù)，完成兩種水輪機的初步選型設(shè)計。對兩種水輪機葉片進行受力分析，采用物理模型試驗與數(shù)值計算結(jié)合的方法研究兩種轉(zhuǎn)輪的工作性能。本文在自行設(shè)計的水輪機模型試驗水箱中進行物理模型試驗研究，結(jié)果表明，對曲面葉片式水輪機，導(dǎo)流裝置的設(shè)置對水輪機的轉(zhuǎn)速、扭矩及輸出功率等性能參數(shù)均產(chǎn)生較大影響，應(yīng)選取性能較好的流道模型作為進一步考察的對象;對軸流槳葉式轉(zhuǎn)輪，流量是控制輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。兩種轉(zhuǎn)輪的對比結(jié)果表明，軸流槳葉式轉(zhuǎn)輪工作性能整體優(yōu)于曲面葉片式。本文進行曲面葉片水輪機的二維數(shù)值模擬，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)、葉片角等參數(shù)，獲取優(yōu)化后的葉形參數(shù);建立軸流槳葉式水輪機的三維數(shù)值模型，考察流量、轉(zhuǎn)速對輸出性能的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明，上述兩種水輪機均可用于低水頭發(fā)電，但對于本文涉及的碟型越浪式裝置而言，軸流槳葉式更具優(yōu)勢。研究水輪機正常工作對流量水頭的要求發(fā)現(xiàn)，原始裝置提供的流量遠(yuǎn)大于水輪機的需求，裝置收集的大部分越浪量并未參與做功，而是直接溢出蓄水庫，造成越浪量的損失。故裝置的原始設(shè)計不合理，需對其進行優(yōu)化。本文建立越浪式波能發(fā)電裝置的越浪一出流水力數(shù)值模型，經(jīng)驗證該模型能較準(zhǔn)確地描述裝置的越浪一出流過程，可在該數(shù)值模型中進行系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化分析。本研究首先對越浪系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化計算，獲取裝置內(nèi)外徑、引浪面斜率、裝置高度等幾何參數(shù)與越浪量的關(guān)系;在AQWA中對裝置漂浮狀態(tài)的運動影響進行分析，發(fā)現(xiàn)水平放置的底面板不利于裝置維持自身平衡，易產(chǎn)生較大的縱搖及垂蕩，而底面板傾斜有利于減小縱搖及垂蕩幅度，減小自由漂浮的運動響應(yīng);對出流系統(tǒng)進行優(yōu)化分析，建立出水管管長、管徑與出流量的關(guān)系，得出圓錐形蓄水池具備良好的出流效果和較高輸出效率的結(jié)論;裝置錨固方式初步選定為用錨鏈張力腿型式，由六根張力腿錨固于海底的錨固基礎(chǔ)上，裝置的垂蕩及縱搖狀況均較為理想，可滿足正常工作要求。本研究完成碟型越浪式波能發(fā)電裝置越浪系統(tǒng)、出流系統(tǒng)、低水頭水力發(fā)電系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化分析，給出優(yōu)化后的各部分幾何尺寸，，最終完成系統(tǒng)的整體設(shè)計及裝配方案。
【圖文】：