本文關鍵詞： 潮流水輪機 水動力性能 改進爬山法 潮流能資源估算　出處：《山東大學》2014年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著全球能源問題日益嚴峻,人類勢必要尋找新的可再生清潔能源。潮流能是指海水水平運動所含有的動能,具有分布廣、儲量大、可再生、無污染等特點,作為一種新興的海洋能獲取方式,受到人類的廣泛重視。潮流水輪機是獲取潮流能的關鍵設備,按結構不同主要分為水平軸和垂直軸兩種,垂直軸水輪機雖然直接獲能功率不如水平軸水輪機,但隨著近年來研究的深入,逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。開發(fā)潮流能資源首先要對其儲量進行估算,不同水域需要不同的潮流能資源估算方法。選擇適當?shù)姆椒ü浪愠绷髂苜Y源,對于資源開發(fā)整體規(guī)劃、潮流能開發(fā)裝置以及技術的選擇都具有重要的指導作用。 本文首先介紹了國外水平軸和垂直軸水輪機的研究和應用現(xiàn)狀,然后結合風機系統(tǒng)經(jīng)典貝茨理論和動量定理等基本原理,分別分析了水平軸和垂直軸水輪機葉片受力狀況,建立水輪機水動力性能模型：推導經(jīng)典葉素—動量理論,并引入葉尖、葉根損失,根據(jù)葉片受力和轉矩的表達式確定葉片參數(shù)與誘導因子a、b的關系,并通過迭代方法來計算誘導因子,從而確定水輪機葉片參數(shù)的取值；以無量綱參數(shù)的形式給出水輪機各參數(shù)的數(shù)學表達式,并具體分析了葉尖速比和偏角對水動力性能的影響,然后以單盤面多流管模型(SDMT)為例,以無量綱參數(shù)形式給出其動量方程的表達式。 在此基礎上,對水輪機發(fā)電效率進一步研究,基于已有最大功率跟蹤(MPPT)方法,對比分析幾種方法優(yōu)劣,將三步法和爬山搜索法(HCS)優(yōu)點相結合,采用變步長求導對傳統(tǒng)爬山搜索法加以改進,克服了其易震蕩收斂慢的缺點,提高其收斂速度,Matlab/Simulink仿真結果表明,在誤差允許范圍內(nèi)該方法能夠準確地辨識出水輪機參數(shù),確定符合最大潮流能捕獲策略的最佳轉速值,并且系統(tǒng)響應潮流流速變化快,實現(xiàn)最大潮流能捕獲。 本文還對國內(nèi)外潮流能資源估算方法展開討論。首先介紹了國內(nèi)外潮流能資源估算的幾種方法,然后對比分析了幾種方法的優(yōu)劣：Farm方法計算思路明確,但是隨著水輪機效率的提高和裝置不斷改進,該方法存在較大不確定性；Flux方法與設備無關,但是SIF因子需要依賴經(jīng)驗取值；Garrett方法克服了常規(guī)計算方法的一些弊端,但可靠性仍有待檢驗；國內(nèi)鄭志南方法公式簡單明確,對于中國潮流能資源估算具有一定的實用性,然而由于該公式計算的是正規(guī)半日潮往復流的可開發(fā)量,應用范圍較窄。最后,指出潮流能資源評估應有規(guī)范的標準,并展望了未來潮流能資源的調查和評估重點。
[Abstract]:With the global energy problem becoming more and more serious, mankind is bound to look for new renewable clean energy. Tidal energy refers to the kinetic energy contained in the horizontal movement of seawater, which has the characteristics of wide distribution, large reserves, renewable, no pollution and so on. As a new way of obtaining ocean energy, people pay more and more attention to it. Tidal current turbine is the key equipment to obtain tidal current energy, which can be divided into horizontal axis and vertical axis according to different structure. Although the direct power of vertical shaft turbine is lower than that of horizontal shaft turbine, with the development of research in recent years, it gradually reflects its advantages. In order to develop tidal energy resources, it is necessary to estimate its reserves. Different water areas need different methods of estimating tidal current energy resources. Selecting appropriate methods to estimate tidal current energy resources is the overall planning of resource development. Power flow energy development device and the choice of technology have important guiding role. This paper first introduces the research and application of horizontal and vertical axis turbines abroad, and then combines the classical Bates theory and momentum theorem of fan system. The hydraulic performance model of horizontal and vertical shaft turbine blades is established. The classical theory of vane momentum is derived and the loss of blade tip and blade root is introduced. According to the expression of blade force and torque, the relationship between blade parameters and induction factor ab is determined, and the induction factor is calculated by iterative method, so as to determine the value of blade parameters of hydraulic turbine. The mathematical expressions of hydraulic turbine parameters are given in the form of dimensionless parameters, and the effects of tip speed ratio and deflection angle on hydrodynamic performance are analyzed in detail. The expression of its momentum equation is given in the form of dimensionless parameters. On this basis, the turbine generation efficiency is further studied, based on the existing maximum power tracking MPPTs, the advantages and disadvantages of several methods are compared and analyzed. By combining the advantages of the three-step method and the mountain-climbing search method, the traditional mountain-climbing search method is improved by using variable step length derivation, which overcomes its shortcoming of easy concussion and slow convergence, and improves its convergence speed. The Matlab/Simulink simulation results show that the method can accurately identify the turbine parameters and determine the optimal speed value in accordance with the maximum power flow energy capture strategy. And the system changes fast in response to the power flow velocity, realizing the maximum power flow energy capture. This paper also discusses the estimation methods of power flow energy resources at home and abroad. Firstly, several methods of power flow energy resource estimation at home and abroad are introduced. Then the comparison and analysis of the advantages and disadvantages of the several methods: the thinking of calculation is clear, but with the increase of turbine efficiency and the continuous improvement of the device, there is greater uncertainty in this method. The Flux method has nothing to do with the device, but the SIF factor depends on the empirical value. The Garrett method overcomes some disadvantages of the conventional calculation method, but the reliability still needs to be tested. The formula of Zheng Zhinan's method is simple and clear in China, which has some practicability for estimating the energy resource of tidal current in China. However, because the formula is used to calculate the available amount of normal half-day tidal reciprocating flow, the application range is relatively narrow. It points out that the evaluation of tidal current energy resources should be standardized, and looks forward to the investigation and evaluation of tidal current energy resources in the future.
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM312

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