浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】：能源是人類生存和從事一切生產(chǎn)活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源短缺的矛盾；傳統(tǒng)能源過度開發(fā)與環(huán)境急劇惡化的因果關(guān)系；國際能源沖突與能源安全等重大問題已引起國內(nèi)外越來越高的關(guān)注。波浪能由于具有可再生、綠色環(huán)保和儲量豐富的特點,日益受到世界許多國家的重視?？茖W(xué)地、更大規(guī)模地利用波浪能對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的深遠(yuǎn)意義。針對波浪隨機(jī)波動的不確定性和惡劣的海洋環(huán)境等不利因素,能否制造出科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)適用的能源機(jī)械裝備不僅直接影響到波浪能轉(zhuǎn)化效率和成本的高低,而且往往決定著實際利用波浪能總體技術(shù)的成敗。 作為一種系統(tǒng)集成創(chuàng)新的利用波浪能來發(fā)電的海洋能源利用裝備,浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的研制存在若干關(guān)鍵技術(shù)難題,本文試圖通過理論分析、仿真試驗并結(jié)合實驗樣機(jī)廠房試驗、現(xiàn)場試驗等手段以期研究論證浮力擺式波浪能發(fā)電裝置雙行程全周期做功的可行性,大幅提高其工作效率和在不確定波況等惡劣海況下的生存能力和可靠性,優(yōu)化浮力擺翼型結(jié)構(gòu),通過對機(jī)組的功率控制實現(xiàn)最大能量捕獲和功率穩(wěn)定輸出等。 論文首先通過波浪理論對浮力擺在波浪上的運動規(guī)律進(jìn)行分析,并在流體動力學(xué)理論的基礎(chǔ)上運用有限元法流固耦合多物理場建模仿真對浮力擺翼形進(jìn)行水動力學(xué)特性的研究及優(yōu)化設(shè)計。在傳動系統(tǒng)方面,重點研究了雙行程全周期做功的液壓式能量傳動方案,通過對液壓傳動方案的仿真試驗和廠房的半物理仿真試驗的結(jié)果分析,表明采用蓄能器的雙行程全周期做功的液壓傳動系統(tǒng)在提高系統(tǒng)效率及輸出功率穩(wěn)定性方面性能良好。論文還對浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)的功率控制技術(shù)進(jìn)行了研究,對控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制算法進(jìn)行了仿真研究,結(jié)果表明基于負(fù)載控制的最大能量捕獲可以使浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)功率較好地穩(wěn)定在最大功率點附近。 論文各章內(nèi)容分述如下： 第一章在調(diào)研查閱了大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,論述了波浪能發(fā)電裝置研究的背景、目的和意義；介紹了國內(nèi)外各種波浪能發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及取得的成果；總結(jié)了當(dāng)前浮力擺式波浪能發(fā)電裝置研究方面亟待解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。 第二章運用波浪理論、流體動力學(xué)理論分析了波浪流體質(zhì)點的運動特性,隨后介紹了浮力擺在波浪上的運動理論基礎(chǔ),最后介紹了浮力擺在波浪能發(fā)電裝置的組成結(jié)構(gòu)及工作原理。 第三章分述了浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的若干關(guān)鍵技術(shù)問題。首先利用理論分析對浮力擺翼型水動力學(xué)特性進(jìn)行流固耦合有限元法多物理場模擬仿真；在分析研究仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上對浮力擺翼型進(jìn)行設(shè)計計算；在比較了波浪能發(fā)電裝置各種傳動方式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,引申出本課題提出的帶蓄能器的雙行程全周期做功的液壓能量傳動系統(tǒng)方案；最后對機(jī)組的電氣及負(fù)載控制系統(tǒng)等也進(jìn)行了設(shè)計介紹。 第四章著重研究了雙行程全周期做功的液壓傳動系統(tǒng)在浮力擺式波浪能發(fā)電裝置中的應(yīng)用,包括雙行程全周期做功的液壓傳動系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計、液壓元器件的計算與選型等；聯(lián)合軟件AMESim及Matlab/Simulink對雙行程全周期做功的液壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模,并進(jìn)行蓄能穩(wěn)壓恒頻及功率穩(wěn)定等方面的聯(lián)合仿真驗證,并進(jìn)行分析總結(jié)。 第五章首先對浮力擺式波浪能發(fā)電裝置運行工況進(jìn)行分析,由此對浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并提出基于負(fù)載控制的最大能量捕獲及改進(jìn)的自適應(yīng)變步長擾動觀測功率控制策略,根據(jù)系統(tǒng)運行功能需求對控制器做了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計,并對控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法進(jìn)行了建模仿真研究驗證。 第六章介紹了5kW浮力擺式波浪能發(fā)電裝置原理樣機(jī)的廠房原理可行性驗證試驗及雙行程全周期做功試驗,并根據(jù)試驗結(jié)果對機(jī)組整體性能進(jìn)行了分析及總結(jié)。 第七章對本文的研究工作及成果進(jìn)行了歸納總結(jié),并指出本課題今后進(jìn)一步的工作內(nèi)容與研究方向。 【關(guān)鍵詞】：波浪能 浮力擺 波浪理論 流固耦合 雙行程全周期做功 液壓傳動 最大能量捕獲 功率穩(wěn)定控制
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P743.2
【目錄】：

• 致謝6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 1 緒論14-32
• 1.1 課題研究背景、目的及意義14-19
• 1.1.1 課題研究的背景14-16
• 1.1.2 課題研究的目的及意義16-19
• 1.2 國內(nèi)外波浪能發(fā)電技術(shù)進(jìn)展19-26
• 1.2.1 點吸收式波浪能技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 消耗式波浪能技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀21-22
• 1.2.3 截止式波浪能技術(shù)發(fā)展及研究現(xiàn)狀22-26
• 1.3 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置亟待解決的技術(shù)問題26-30
• 1.3.1 浮力擺流體力學(xué)特性研究26-27
• 1.3.2 能量傳動技術(shù)研究27-29
• 1.3.3 功率控制技術(shù)研究29
• 1.3.4 安裝與維修技術(shù)研究29-30
• 1.4 本課題主要研究內(nèi)容30-32
• 2 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的基本原理32-48
• 2.1 波浪理論32-38
• 2.1.1 微幅波理論的基本方程32-35
• 2.1.2 平面進(jìn)行波的勢涵數(shù)35-36
• 2.1.3 波浪流體質(zhì)點的運動特性36-38
• 2.2 浮力擺在波浪上的運動理論基礎(chǔ)38-45
• 2.2.1 坐標(biāo)系的選取和運動量的描述38-40
• 2.2.2 邊界條件和格林函數(shù)40-42
• 2.2.3 浮力擺在波浪上的受力分析42-45
• 2.3 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置工作原理45-48
• 2.3.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)組成及特點45-46
• 2.3.2 機(jī)組工作原理46-48
• 3 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究48-76
• 3.1 浮力擺與波浪的相互耦合作用48-51
• 3.2 浮力擺翼型水動力學(xué)特性的數(shù)值模擬51-58
• 3.2.1 浮力擺翼型的流固耦合數(shù)學(xué)模型52-54
• 3.2.2 浮力擺翼型結(jié)構(gòu)參數(shù)對水動力學(xué)特性的影響54-58
• 3.3 浮力擺翼型設(shè)計與計算58-64
• 3.3.1 莫里森方程下總水平波浪力的計算58-60
• 3.3.2 浮力擺翼型結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核60-64
• 3.4 傳動系統(tǒng)方案研究設(shè)計64-66
• 3.5 電氣系統(tǒng)設(shè)計66-76
• 3.5.1 發(fā)電機(jī)選型66-67
• 3.5.2 負(fù)載控制器67-70
• 3.5.3 主控制系統(tǒng)設(shè)計70-76
• 4 雙行程全周期做功的液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究76-97
• 4.1 雙行程全周期做功的液壓傳動控制系統(tǒng)原理76-79
• 4.2 雙行程全周期做功的液壓傳動控制系統(tǒng)組成及元件選型79-85
• 4.2.1 主油路液壓元件的計算與選型79-83
• 4.2.2 低壓回油路液壓元件的計算與選型83-85
• 4.3 液壓傳動系統(tǒng)的建模及仿真研究85-89
• 4.4 波浪能發(fā)電裝置穩(wěn)壓恒頻及功率穩(wěn)定的仿真研究89-97
• 5 浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)功率控制技術(shù)研究97-117
• 5.1 浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)運行工況分析97-99
• 5.2 浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究99-101
• 5.3 基于負(fù)載控制的最大能量捕獲101-109
• 5.3.1 波浪能裝置發(fā)電機(jī)組及其轉(zhuǎn)速控制方式102-105
• 5.3.2 最大能量捕獲的功率控制策略105-109
• 5.4 最大能量捕獲功率控制系統(tǒng)的仿真與分析109-112
• 5.4.1 發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立109-111
• 5.4.2 仿真結(jié)果分析111-112
• 5.5 控制器及軟硬件設(shè)計112-117
• 5.5.1 控制器系統(tǒng)總體設(shè)計112-114
• 5.5.2 最大能量捕獲功率控制114
• 5.5.3 蓄電池充電放控制114-115
• 5.5.4 運行保護(hù)控制115-117
• 6 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置試驗及結(jié)果分析117-131
• 6.1 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置氣密性試驗117
• 6.2 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置單液壓缸做功性能試驗117-124
• 6.2.1 單液壓缸做功燈泡帶載原理性試驗117-118
• 6.2.2 單液壓缸做功定流量性能試驗118-119
• 6.2.3 單液壓缸做功變系統(tǒng)壓力性能試驗119-124
• 6.3 浮力擺式波浪能發(fā)電裝置雙液壓缸雙行程做功性能試驗124-131
• 6.3.1 雙液壓缸雙行程做功試驗平臺的設(shè)計與搭建124-125
• 6.3.2 雙液壓缸雙行程做功變系統(tǒng)壓力性能試驗125-128
• 6.3.3 雙液壓缸雙行程做功變系統(tǒng)流量性能試驗128-129
• 6.3.4 雙液壓缸雙行程做功變馬達(dá)排量性能試驗129-131
• 7 結(jié)論與展望131-135
• 7.1 全文主要結(jié)論131-133
• 7.1.1 論文主要研究內(nèi)容131-132
• 7.1.2 論文主要創(chuàng)新點132-133
• 7.2 工作展室133-135
• 參考文獻(xiàn)135-140
• 攻博期間發(fā)表(錄用)的論文140

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液壓二次調(diào)節(jié)慣性負(fù)載系統(tǒng)控制及節(jié)能特性研究    何龍

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基于ANSYS Workbench的精沖模具-壓力機(jī)一體化結(jié)構(gòu)分析    周雅

振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置性能的研究    平麗

基于管路效應(yīng)的皮囊式蓄能器數(shù)學(xué)模型與實驗研究    權(quán)凌霄

一種新型漂浮式波浪發(fā)電系統(tǒng)研究    范航宇

振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置性能的實驗研究    李仕成

交流液壓沖擊系統(tǒng)動態(tài)特性的理論分析    蔣苗苗

海流能發(fā)電裝置電液控制系統(tǒng)研究    應(yīng)有

海洋浮子式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗研究    王凌宇

應(yīng)用二次調(diào)節(jié)技術(shù)的大慣性柔性負(fù)載牽引系統(tǒng)特性研究    賈炎

變頻器技術(shù)在注塑機(jī)上的應(yīng)用    牟文杰,吳舜英

支持向量機(jī)增量學(xué)習(xí)算法研究    李凱,黃厚寬

基于AMEsim的雙壓力柱塞泵的數(shù)字建模與熱分析    盧寧;付永領(lǐng);孫新學(xué);

潛體波浪中近水面不同潛深和航向時運動和波浪力計算    馮學(xué)知,蔣強強,繆泉明,匡曉峰

三維分布源法中面元流體力的積分    宋競正,段文洋,鄒元杰,秦洪德

極限海況下浮標(biāo)運動及錨鏈?zhǔn)芰浪?nbsp;   繆泉明,顧民,楊占明,劉楚學(xué)

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三維錨泊系統(tǒng)時域計算分析    肖越,王言英

關(guān)于快速脈沖充電技術(shù)的研究    劉玉杰,姜印平,孟祥適

閥控鉛酸蓄電池發(fā)展現(xiàn)狀    馬洪斌

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究    趙為

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究    卞松江

獨立光伏系統(tǒng)中蓄電池管理的研究    歐陽名三

光伏陣列故障狀態(tài)的識別研究    王培珍

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行與控制研究    劉其輝

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的分析與研究    王飛

風(fēng)/光互補混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計    李爽

獨立運行風(fēng)/光互補電站控制監(jiān)測系統(tǒng)的研究    定世攀

中國風(fēng)力發(fā)電成本研究    郭全英

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)研究    唐勇

獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的研究與設(shè)計    王超

海床基動力要素綜合自動監(jiān)測系統(tǒng)中央控制單元的研制    賈英杰

基于MPPT的光伏電池電力應(yīng)用系統(tǒng)的研究與設(shè)計    朱騰

獨立光伏發(fā)電的自動跟蹤系統(tǒng)    劉莫塵

光伏發(fā)電用DC/DC變換器的研究    汪令祥

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究    孔娟

波浪能利用的發(fā)展與前景    劉美琴;鄭源;趙振宙;仲穎;

IPS波浪發(fā)電實驗?zāi)Ｐ偷慕?nbsp;   肖文平;

海洋波浪能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用    沈利生;張育賓;

能源與環(huán)保    

波浪能發(fā)電裝置的研究    岳文艷;張友恒;

21世紀(jì)的新能源——海洋能    周善元

全球海洋波浪能的開發(fā)和利用    李桂香

東南西北    

科苑紀(jì)事    

海洋——巨大的能源寶庫    林佳

立足靜水層利用離岸波浪能發(fā)電的方法    陳傳文;

海洋波浪能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與前景    游亞戈;盛松偉;吳必軍;

波浪能發(fā)電中水平阻尼板的實驗和二維數(shù)值模擬    刁向紅;吳必軍;

底絞搖板式波浪能發(fā)電裝置水動力性能的頻域解    趙海濤;沈家法;寧德志;韋燕機(jī);

對擺式波能發(fā)電裝置與波浪耦合作用數(shù)值模擬    田育豐;黃焱;史慶增;

低水頭水輪機(jī)性能的試驗研究    史宏達(dá);王智強;劉婭君;

波浪能技術(shù)發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀    李永國;陳成明;

我國海洋波浪能技術(shù)發(fā)展建議    游亞戈;吳必軍;盛松偉;馮波;張亞群;王坤林;

波浪能發(fā)電“很潮”“很給力”    見習(xí)記者 丁樂平　記者 汪堅

利用波浪能發(fā)電    張蕊

波浪能發(fā)電前景廣闊    盛長峰

浪打打太陽曬曬,來電了    陳葉綠　陳小敏

英國未來20年的六大技術(shù)前瞻領(lǐng)域    侯國清

世界首座波浪能電站有望年底投產(chǎn)    本報記者 陳萌

汕尾將建世界首座波浪能電站    

ABB集團(tuán)：“追風(fēng)逐浪”投資可再生能源    本報記者 陳頤

中山海洋經(jīng)濟(jì)揚威海博會    記者 賴有生 通訊員 梁錦秋

海洋——人類未來的能源庫    張秋旭

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究    張大海

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置水動力性能研究    彭建軍

海洋能多能互補智能供電系統(tǒng)總體開發(fā)方案研究及應(yīng)用    邵萌

振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置的水動力學(xué)特性研究    馬哲

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置仿真與實驗研究    黃煒

振蕩浮子式波浪能發(fā)電設(shè)備傳動系統(tǒng)的可靠性研究    艾顯著

帶波浪模擬的浮力擺式波浪能發(fā)電裝置的試驗研究    齊家龍

振蕩浮子的實驗研究    張向陽

基于STM32的波浪能發(fā)電裝置離岸監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計    趙帥帥

小型波浪能發(fā)電裝置及其電能管理系統(tǒng)的研究    袁曉東

小型波浪能發(fā)電裝置的電能變換系統(tǒng)設(shè)計研究    賈紅杰

一種波浪壓電發(fā)電裝置的研究    熊葉勝

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置浮子的水動力學(xué)仿真    孫玉健

振蕩浮子式波浪能采集系統(tǒng)的仿真及實驗研究    劉莎莎