【摘要】：海洋波浪能是海洋能源中最為豐富的能量形式之一，它是一種可再生能源，開發(fā)利用波浪能進(jìn)行發(fā)電已經(jīng)有二個(gè)多世紀(jì)。目前隨著人口增加，能源消耗量的上升，石油、天然氣等常規(guī)能源的消耗殆盡以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，人們不得不開始關(guān)注新的能源形式，這種能源形式的開發(fā)利用必須是符合環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行的可再生能源以及可持續(xù)發(fā)展的理念。因此時(shí)代呼吁新能源技術(shù)的高速發(fā)展，新能源能量的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸?shù)睦碚撆c技術(shù)是21世紀(jì)能源與工程的前沿性課題。選擇海洋波浪能的利用開發(fā)作為博士課題是對(duì)人類社會(huì)發(fā)展中能源問題的深刻思考與正確認(rèn)識(shí)，，更是時(shí)代背景賦予當(dāng)代青年的重任與義務(wù)。相信未來屬于可再生能源，我們需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)途徑。相信波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)將在未來的能源市場中將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。 在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)當(dāng)前波能轉(zhuǎn)換裝置的研究進(jìn)展以及現(xiàn)狀進(jìn)行了解，對(duì)波能轉(zhuǎn)換裝置的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上選擇擺式波能轉(zhuǎn)換裝置作為研究對(duì)象。首先開展了固定鉸接擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的物理模型實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同模型形狀進(jìn)行優(yōu)化篩選，對(duì)負(fù)載阻尼進(jìn)行尋優(yōu)，對(duì)不同壓載工況進(jìn)行比較并研究了裝置系統(tǒng)不同能量轉(zhuǎn)換階段的各級(jí)轉(zhuǎn)換效率。其次基于勢流理論對(duì)物理模型進(jìn)行了二維和三維分析計(jì)算；從理論角度研究了固定鉸接擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的水動(dòng)力性能并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。再次從實(shí)型設(shè)計(jì)和開展裝置實(shí)海況試驗(yàn)的目的出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了基于漂浮陣列布置的擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了不同的模型組合排列布置方式下波浪能的總轉(zhuǎn)換效率的大小比較，得出了在實(shí)驗(yàn)排列組合范圍內(nèi)的最佳波能轉(zhuǎn)換形式。并且對(duì)傳統(tǒng)的擺式波能裝置的能量吸收方式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了“擺式振蕩浮子”的方案，即同時(shí)對(duì)擺式模型進(jìn)行搖擺和垂蕩兩個(gè)自由度方向上的能量進(jìn)行吸收，試驗(yàn)證明這種方案是可行的，進(jìn)一步為實(shí)型設(shè)計(jì)、制造以及實(shí)海況實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)和參考。最后在上述大量試驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了波能裝置的實(shí)型設(shè)計(jì)、施工和實(shí)海況試驗(yàn)。采用了“擺式振蕩浮子”的方案，對(duì)部分?jǐn)[式波能裝置進(jìn)行了搖擺和垂蕩兩個(gè)自由度的復(fù)合波能吸收。通過實(shí)海況實(shí)驗(yàn)，突破了若干關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)裝置設(shè)備的各項(xiàng)性能進(jìn)行了海試，主要有陣列裝置的獨(dú)立穩(wěn)定發(fā)電能力；水下可靠的控制與監(jiān)控性能；適應(yīng)不同海況的升沉壓載性能；具有一定抗浪能力的系泊與自保護(hù)系統(tǒng)；可靠的結(jié)構(gòu)形式及生存能力等。并進(jìn)一步改進(jìn)了波浪發(fā)電設(shè)備，提高了發(fā)電效率，降低了建造成本。實(shí)海況試驗(yàn)證明了基于漂浮陣列布置的擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的可行性，為該種形式的波能轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)用化和工程化提供了技術(shù)支持和工程經(jīng)驗(yàn)。 綜上，基于自主創(chuàng)新漂浮陣列布置的“擺式振蕩浮子”方案多種組合的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，結(jié)合中國沿海波浪能密度較低以及遠(yuǎn)海波能資源比較豐富的現(xiàn)實(shí)，提出并成功實(shí)現(xiàn)了適用于海上布放的漂浮式陣列擺式波能轉(zhuǎn)換裝置。首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)該種裝置的遠(yuǎn)程操控，視頻監(jiān)控，通訊監(jiān)測等主動(dòng)控制方式，提高了系統(tǒng)的安全性和人機(jī)互動(dòng)性。區(qū)別于傳統(tǒng)的擺式波能轉(zhuǎn)換裝置的單一運(yùn)動(dòng)模態(tài)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)波能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行搖擺和垂蕩兩個(gè)自由度方向同時(shí)進(jìn)行波能轉(zhuǎn)換的復(fù)合模式實(shí)海況實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)浮式基礎(chǔ)的壓載主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波能轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)適應(yīng)不同波況和吃水的靈活性掌握，克服了傳統(tǒng)固定式裝置對(duì)岸基的依賴，使其更加適應(yīng)環(huán)境潮位的變化。
【圖文】：

圖 1-2 研究文獻(xiàn)(截至 2011 年)Fig 1-2 Literature research不同于風(fēng)力和太陽能發(fā)電，波能發(fā)電裝置的形式有很多類型。發(fā)電在過去的 2，不完全統(tǒng)計(jì)已經(jīng)超過 1000 多種波能轉(zhuǎn)換裝置的專利出現(xiàn)。對(duì)波能發(fā)電系統(tǒng)有不同的方法，有的按照工作原理，如振蕩水柱(Oscillating water column，19-22]；振蕩浮子(Oscillating buoy)；聚波越浪式(Overtopping)[23-27]；鉸接iculated pendulum)[7,14,28-32]等等。還有一些結(jié)合海工建筑物，如防波堤等多功能電裝置的研究出現(xiàn)[13]。按照安裝類型分為固定式(海底固定，岸基固定)，漂浮泊系統(tǒng))；按照安裝地點(diǎn)又分為岸基式(shoreline)，近海 (near-shore)以及深海(of下面將對(duì)幾種比較主要和常見的波能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行介紹。.1 振蕩水柱波能裝置研究進(jìn)展及現(xiàn)狀振蕩水柱式波能裝置(OWC)是最早出現(xiàn)的類型之一，由于其結(jié)構(gòu)形式，所以這

(BBDB)式漂浮式振蕩水柱型波能轉(zhuǎn)換裝置(見圖 1-4)。中國、韓國、丹麥和愛爾蘭等國家都對(duì)這種類型的波能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)，目前最主要的應(yīng)用主要是海上航標(biāo)燈。2006 年愛爾蘭建成了一座 1/4 比例的海試模型[42]。Might Whale 是日本建造的漂浮振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置，長 50m，寬 30m，吃水 12m，排水量約 4400t，裝機(jī)功率 110KW。于 1998 年建造成功并開始運(yùn)行[43]。其工作原理同 1976 年建造的 Kaimei 相同，不同的是 Kaimei 的發(fā)電機(jī)是縱向布置的，前排的發(fā)電量較大，后面的就相對(duì)較小。而 MightWhale 則改變了這一布置方式，采用并排布置，提高了波能的發(fā)電效率。Sloped Buoy和 Spar Buoy 也是基于振蕩水柱的概念而設(shè)計(jì)的波能轉(zhuǎn)換裝置[44]，這兩種類型的裝置研究文獻(xiàn)和工程應(yīng)用相對(duì)較少。我國對(duì)振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置的研究主要由中科院廣州能源所承擔(dān)，從上世紀(jì) 90年代至今已經(jīng)建成的主要有珠海大萬山 3KW 波力電站，1996 年升級(jí)至 20KW。2001 年在廣東省汕尾市遮浪鎮(zhèn)建成了首臺(tái) 100KW 的振蕩水柱式波能發(fā)電裝置[45]。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM612;P743.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2671769