浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置機(jī)理的頻域及時(shí)域研究.pdf

1、近年來,全球能源供求的緊張和CO2減排的要求極大的刺激了海洋波浪能轉(zhuǎn)換科技的發(fā)展,多種不同樣式的波浪能轉(zhuǎn)換裝置在全球范圍內(nèi)得到了應(yīng)用,包括振蕩水柱式波浪能轉(zhuǎn)換裝置、收縮波道式波浪能轉(zhuǎn)換裝置和振蕩式波浪能轉(zhuǎn)換裝置。本文研究的是浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置,它以一個(gè)浮子為吸收波浪能的載體,通過浮子的垂蕩運(yùn)動(dòng),直接驅(qū)動(dòng)線性發(fā)電機(jī),或通過液壓傳動(dòng)或機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),完成波浪能到電能的轉(zhuǎn)換。本文通過頻域和時(shí)域分析等研究手段,探索了浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的

2、工作機(jī)理及其波能俘獲特性。
　　本文首先對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了頻域分析,采用線性理論,在僅考慮浮子做垂蕩運(yùn)動(dòng)的情況下,假設(shè)能量輸出系統(tǒng)是線性的,建立了直接驅(qū)動(dòng)的浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置頻域運(yùn)動(dòng)方程,獲取了該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù),推導(dǎo)了波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在規(guī)則波和隨機(jī)波浪條件下的能量俘獲寬度。研究表明能量俘獲寬度受波譜譜峰頻率、頻率響應(yīng)函數(shù)和能量輸出系統(tǒng)的影響。波譜譜峰頻率與固有頻率越接近,頻率響應(yīng)函數(shù)的幅值越大,能量輸出系統(tǒng)

3、的阻尼系數(shù)越大,則能量俘獲寬度也越大。鑒于頻域分析無法充分考慮能量輸出系統(tǒng)非線性特性和控制對(duì)浮子式波能裝置波能俘獲特性的影響,本文還采用時(shí)域模擬方法研究了浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置。介紹了狀態(tài)空間模型近似替代時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程中卷積項(xiàng)方法,并使用該方法對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行時(shí)域模擬,假定能量輸出系統(tǒng)是線性的,對(duì)比時(shí)域模擬結(jié)果與頻域計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了狀態(tài)空間模型近似替代方法的準(zhǔn)確性。
　　本文研究了能量輸出系統(tǒng)非線性特性對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的

4、浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置波能轉(zhuǎn)換性能的影響。假定當(dāng)浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí),活塞桿的阻尼力與運(yùn)動(dòng)速度呈正比,當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)阻尼力為一定值。研究發(fā)現(xiàn),波能裝置在適宜的海浪環(huán)境條件下工作效率最佳,惡劣的海洋環(huán)境不會(huì)使波能俘獲性能獲得提升,反而會(huì)導(dǎo)致波能裝置的結(jié)構(gòu)或系泊系統(tǒng)破壞。對(duì)能量輸出系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)的浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置作了初步探討。在僅考慮浮子做垂蕩運(yùn)動(dòng)的情況下,采用狀態(tài)空間模型近似替代方法,對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了較為合理的簡(jiǎn)化處理,建立了浮子式