經(jīng)濟(jì)和社會不斷發(fā)展使人類對能源的需求持續(xù)增加,同時人類又面臨著嚴(yán)重的環(huán)境保護(hù)問題,如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展是世界各國所面臨的共同問題。海流能是一種新型綠色可再生能源,其蘊(yùn)藏量巨大,但惡劣的海洋環(huán)境是海流能開發(fā)的不利條件,它給透平裝置、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及機(jī)組的功率穩(wěn)定輸出帶來很大的困難。研究論證水平軸式海流能發(fā)電裝置的可行性、提高其惡劣環(huán)境下的生存能力及可靠性、提高機(jī)組的功率穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)最大能量捕獲等都是海流能開發(fā)領(lǐng)域中的重要課題。 作為一種系統(tǒng)集成創(chuàng)新的利用海流動能來發(fā)電的裝置,水平軸式海流能發(fā)電裝置的研制存在若干關(guān)鍵技術(shù),本文通過理論分析、數(shù)學(xué)仿真及廠房試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等手段對其進(jìn)行了研究。首先通過動量理論對葉輪的最大能量捕獲規(guī)律進(jìn)行分析,并運(yùn)用流體動力學(xué)理論及數(shù)值模擬方法對葉片翼形進(jìn)行水動力學(xué)特性的研究及設(shè)計(jì)。在傳動系統(tǒng)方面,重點(diǎn)研究了三分流三合流的半直驅(qū)式傳動方案及液壓式能量傳動方案,通過對半直驅(qū)傳動方案的廠房試驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及液壓傳動方案的仿真試驗(yàn)結(jié)果的分析,明確兩種傳動方案的優(yōu)缺點(diǎn)。功率輸出的穩(wěn)定性及能量捕獲的最大化也是海流能發(fā)電裝置的一個關(guān)鍵技術(shù),論文在對電氣控制方案實(shí)現(xiàn)最大能量捕獲控制方式進(jìn)行簡單介紹后,對采用液壓容積調(diào)速方法的液壓式能量傳動系統(tǒng)在功率穩(wěn)定及最大能量捕獲方面的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)研究,結(jié)果表明帶蓄能器及液壓式容積調(diào)速方案的液壓能量傳動系統(tǒng)在能量最大捕獲及功率輸出穩(wěn)定性方面性能良好。對變槳距原理及其控制算法在功率穩(wěn)定控制方面的作用進(jìn)行了半物理仿真試驗(yàn),結(jié)果表明當(dāng)水流流速大于額定流速時,變槳距機(jī)構(gòu)可以使葉輪功率穩(wěn)定在額定功率附近。 另外,課題對海流能發(fā)電裝置的耐腐蝕、密封系統(tǒng)、剎車裝置、電氣負(fù)載、主控制系統(tǒng)及現(xiàn)場安裝方式等都進(jìn)行了研究。 論文各章內(nèi)容分述如下: 第一章論述了海流能發(fā)電裝置研究的背景、目的和意義;介紹了國內(nèi)外在海/潮流能發(fā)電技術(shù)方面的進(jìn)展及現(xiàn)狀,最后總結(jié)了當(dāng)前海流能發(fā)電裝置研究方面亟待解決的部分科學(xué)技術(shù)問題。 第二章運(yùn)用動量理論、相關(guān)水動力學(xué)理論及角動量理論對水平軸式海流能發(fā)電裝置的葉輪最大能量捕獲規(guī)律進(jìn)行分析,運(yùn)用葉素理論對葉片翼形進(jìn)行受力分析,隨后介紹氣蝕理論及水平軸式海流能發(fā)電裝置的組成結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理。 第三章分述了水平軸式海流能發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)問題。通過理論分析及數(shù)值模擬方法對葉片水動力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究;對變槳距機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算及設(shè)計(jì);進(jìn)行半直驅(qū)傳動方案設(shè)計(jì)并引申出液壓傳動方案;對機(jī)組電氣負(fù)載控制系統(tǒng)及相關(guān)附件進(jìn)行介紹。 第四章研究了液壓傳動系統(tǒng)在水平軸式海流能發(fā)電裝置中的應(yīng)用,包括液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、元器件選型;并在AMESim軟件及Matlab/Simulink下對系統(tǒng)整體進(jìn)行建模及仿真,將其結(jié)果與半直驅(qū)傳動方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對比,得出相關(guān)結(jié)論。 第五章介紹了水平軸海流能發(fā)電裝置的變速運(yùn)行理論及變槳距控制理論。從電力電子控制及液壓控制兩種方式上對變速運(yùn)行控制策略進(jìn)行介紹,并重點(diǎn)對采用液壓容積調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)葉輪能量最大捕獲進(jìn)行研究;最后對變槳距控制原理及算法實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定進(jìn)行了半物理仿真試驗(yàn)。 第六章對5kw原理樣機(jī)的現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行介紹,分析試驗(yàn)結(jié)果;對25kw級半直驅(qū)傳動方案機(jī)組的廠房試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行介紹,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對機(jī)組的效率及葉輪特性等進(jìn)行分析總結(jié)。 第七章概括了論文的主要研究工作和研究成果,并對本課題今后的研究工作和研究方向講行展望。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：P743.1
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 課題研究背景、目的及意義
        1.1.1 課題研究的背景
        1.1.2 課題研究的目的及意義
    1.2 國內(nèi)外海/潮流能發(fā)電技術(shù)進(jìn)展
        1.2.1 傳統(tǒng)的海/潮流能利用技術(shù)
        1.2.2 新型海/潮流發(fā)電技術(shù)發(fā)展
    1.3 水平軸式海流能發(fā)電技術(shù)待解決的科學(xué)技術(shù)問題
    1.4 本課題主要研究內(nèi)容
2 水平軸海流能發(fā)電裝置工作機(jī)理
    2.1 水平軸海流能發(fā)電裝置的葉輪能量捕獲理論
        2.1.1 葉輪捕能模型
        2.1.2 葉素理論及角動量理論
        2.1.3 葉片的氣蝕理論
    2.2 水平軸海流能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)及原理
        2.2.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)
        2.2.2 機(jī)組工作原理
3 水平軸式海流能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究
    3.1 葉輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
        3.1.1 葉片翼形水動力學(xué)特性的數(shù)值模擬
        3.1.2 葉片幾何外形設(shè)計(jì)
        3.1.3 葉輪驅(qū)動力矩及軸向力計(jì)算
    3.2 變槳距機(jī)構(gòu)計(jì)算及設(shè)計(jì)
        3.2.1 變槳距機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算
        3.2.2 變槳距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
        3.2.3 變槳距機(jī)構(gòu)特性仿真研究
    3.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        3.3.1 半直驅(qū)式傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
        3.3.2 液壓式能量傳動方案簡介
        3.3.3 密封機(jī)構(gòu)研究
    3.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        3.4.1 發(fā)電機(jī)選型
        3.4.2 負(fù)載控制器設(shè)計(jì)
        3.4.3 主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    3.5 主要附件的理論設(shè)計(jì)
4 液壓式能量傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究
    4.1 液壓傳動方案機(jī)組的結(jié)構(gòu)
    4.2 液壓式能量傳動系統(tǒng)組成及選型計(jì)算
        4.2.1 泵及馬達(dá)選型及參數(shù)計(jì)算
        4.2.2 蓄能器及其它附件的選型
    4.3 傳動系統(tǒng)仿真研究
        4.3.1 仿真用的海/潮流簡化模型
        4.3.2 葉輪及發(fā)電機(jī)仿真模型
        4.3.3 半直驅(qū)傳動結(jié)構(gòu)的海流能發(fā)電裝置仿真研究
        4.3.4 液壓傳動結(jié)構(gòu)的海流能發(fā)電裝置仿真研究
    4.4 液壓式軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真
5 海流能發(fā)電裝置變速運(yùn)行及功率穩(wěn)定控制
    5.1 水平軸式海流能發(fā)電裝置的變速運(yùn)行理論
    5.2 變速運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方式
        5.2.1 變速運(yùn)行的控制策略
        5.2.2 電機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)葉輪最大能量捕獲研究
        5.2.3 液壓容積調(diào)速實(shí)現(xiàn)葉輪最大能量捕獲研究
        5.2.4 關(guān)于控制器討論
    5.3 水平軸海流能發(fā)電裝置變槳距控制
        5.3.1 變槳距控制理論
        5.3.2 海流能發(fā)電裝置變槳距控制及試驗(yàn)研究
6 海流能發(fā)電裝置試驗(yàn)及結(jié)果分析
    6.1 水平軸式海流能發(fā)電裝置原理性試驗(yàn)
        6.1.1 試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)
        6.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
    6.2 25kW半直驅(qū)式海流能發(fā)電裝置試驗(yàn)
        6.2.1 機(jī)組在廠房內(nèi)的性能試驗(yàn)
        6.2.2 機(jī)組氣密性試驗(yàn)
        6.2.3 機(jī)組現(xiàn)場試驗(yàn)
        6.2.4 機(jī)組效率分析
7 水平軸海流能發(fā)電裝置研究結(jié)論與展望
    7.1 課題及論文總結(jié)
        7.1.1 論文主要研究內(nèi)容
        7.1.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)
    7.2 工作展望
參考文獻(xiàn)
攻博期間發(fā)表（錄用）的論文

【引證文獻(xiàn)】

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