兩類點吸式波能裝置水動力特性研究.pdf

1、隨著化石能源的不斷開采，人類將面臨化石能源枯竭和環(huán)境污染的嚴峻挑戰(zhàn)。波浪能是一種清潔的海洋可再生能源，具有分布廣泛、儲量豐富的特點，利用波浪能發(fā)電已成為工業(yè)界和科技界關(guān)注的熱點領(lǐng)域。波浪能發(fā)電裝置主要有點吸式、振蕩水柱式、擺式、鴨式和越浪式等形式。點吸式裝置又稱為振蕩浮子式裝置，該裝置是通過基于支撐載體上的振蕩浮子來捕獲波浪能的裝置。
　　點吸式波能發(fā)電裝置由于其結(jié)構(gòu)相對簡單、轉(zhuǎn)換效率較高、安裝維護方便等優(yōu)點而受到了人們的廣泛關(guān)注

2、。若按照載體是否固結(jié)于岸基或海床，點吸式波能發(fā)電裝置可分為固定式和漂浮式裝置兩種，若按照基于同一載體上浮子的個數(shù)可分為單點吸式和多點吸式裝置。關(guān)于固定和漂浮這兩類點吸式波浪能發(fā)電技術(shù)及其裝置的研究已有很多，但是關(guān)于這兩類裝置在波浪中的流場特性、水動力學(xué)作用以及能量轉(zhuǎn)換機制或規(guī)律等基礎(chǔ)理論問題的研究還不深入，制約著點吸式波能利用技術(shù)的發(fā)展和發(fā)電裝置設(shè)計方法的進步。本文針對兩種典型的點吸式波能裝置開展研究，一是基于固定式載體的擺臂浮子波能裝

3、置，二是基于圓柱型漂浮式系泊載體的同軸立柱浮子波能裝置。通過理論分析、數(shù)值計算與模型試驗的手段，研究這兩種裝置的水動力學(xué)求解方法以及浮子的運動和波能轉(zhuǎn)換特性，為該類波能裝置的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。
　　針對同軸立柱浮子結(jié)構(gòu)的點吸式波能裝置，研究圓形立柱浮體和軸向運動的浮子在波浪作用下的輻射問題、繞射問題?；趧萘骼碚?、分離變量法和級數(shù)展開法，根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)特點，將流體域劃分為三個子域，在各個子域內(nèi)求解輻射速度勢和繞射速度勢的

4、級數(shù)展開式，通過邊界條件確定級數(shù)展開式未知系數(shù)，獲得浮子和立柱耦合運動速度勢的解析表達式。通過數(shù)值算例，將解析水動力結(jié)果與AQWA數(shù)值結(jié)果和非耦合水動力計算結(jié)果相對比，驗證了結(jié)果的正確性并分析了耦合與非耦合水動力結(jié)果之間的差異，根據(jù)求解結(jié)果分析浮子和立柱水動力性能，研究浮子和立柱的尺度關(guān)系對其水動力性能的影響。
　　針對同軸立柱浮子式波能裝置，研究系泊狀態(tài)下具有同軸立柱浮子結(jié)構(gòu)的波能裝置的運動特性和能量轉(zhuǎn)換特性。首先建立立柱浮子式

5、波能裝置的浮子—PTO系統(tǒng)—立柱載體的耦合動力學(xué)模型，推導(dǎo)浮子和立柱的相對運動函數(shù)以及系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換函數(shù)?？紤]到該類裝置的同軸立柱浮子結(jié)構(gòu)形式，通過耦合水動力求解和性能分析,研究浮子與立柱的尺度、波浪參數(shù)、PTO系統(tǒng)阻尼和彈簧等參數(shù)對浮子和立柱的水動力性能的影響規(guī)律，探討系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換機理。在此基礎(chǔ)上結(jié)合遺傳算法建立立柱浮子式波能裝置的能量轉(zhuǎn)換性能的優(yōu)化模型，在一定程度上提高裝置的能量轉(zhuǎn)換效率。
　　針對擺臂浮子式波能裝置，研究浮

6、子的運動特性、能量轉(zhuǎn)換性能。首先分析擺臂浮子的波能裝置的擺臂、浮子、PTO等機構(gòu)的運動特征，推導(dǎo)并建立PTO—擺臂—浮子的耦合運動學(xué)方程，求解并獲得裝置的各機構(gòu)的運動函數(shù)和能量轉(zhuǎn)換函數(shù)；然后基于數(shù)值計算獲得浮子的水動力系數(shù)。優(yōu)化浮子形狀，擺臂的初始安裝角、平臺的傾角、PTO在擺臂上的安裝位置等參數(shù)，分析系統(tǒng)的阻尼特性和彈簧特性，探討裝置在 PTO阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)變化時功率特性曲線的變化趨勢以及能量輸出響應(yīng)頻寬變化規(guī)律，系統(tǒng)的研究和總結(jié)