浮子式波浪能轉換裝置機理的頻域及時域研究

【摘要】：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換科技的發(fā)展，多種不同樣式的波浪能轉換裝置在全球范圍內得到了應用，包括振蕩水柱式波浪能轉換裝置、收縮波道式波浪能轉換裝置和振蕩式波浪能轉換裝置。本文研究的是浮子式波浪能轉換裝置，它以一個浮子為吸收波浪能的載體，通過浮子的垂蕩運動，直接驅動線性發(fā)電機，或通過液壓傳動或機械裝置驅動發(fā)電機，完成波浪能到電能的轉換。本文通過頻域和時域分析等研究手段，探索了浮子式波浪能轉換裝置的工作機理及其波能俘獲特性。 本文首先對直接驅動的浮子式波浪能轉換裝置進行了頻域分析，采用線性理論，在僅考慮浮子做垂蕩運動的情況下，假設能量輸出系統(tǒng)是線性的，建立了直接驅動的浮子式波浪能轉換裝置頻域運動方程，獲取了該系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)，推導了波浪能轉換系統(tǒng)在規(guī)則波和隨機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，頻率響應函數(shù)的幅值越大，能量輸出系統(tǒng)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浮子式波能裝置波能俘獲特性的影響，本文還采用時域模擬方法研究了浮子式波浪能轉換裝置。介紹了狀態(tài)空間模型近似替代時域運動方程中卷積項方法，并使用該方法對直接驅動的浮子式波浪能轉換裝置進行時域模擬，假定能量輸出系統(tǒng)是線性的，對比時域模擬結果與頻域計算結果，驗證了狀態(tài)空間模型近似替代方法的準確性。 本文研究了能量輸出系統(tǒng)非線性特性對直接驅動的浮子式波浪能轉換裝置波能轉換性能的影響。假定當浮體垂蕩運動速度較小時，活塞桿的阻尼力與運動速度呈正比，當運動速度較大時阻尼力為一定值。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)境不會使波能俘獲性能獲得提升，反而會導致波能裝置的結構或系泊系統(tǒng)破壞。 本文還對能量輸出系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)的浮子式波浪能轉換裝置作了初步探討。在僅考慮浮子做垂蕩運動的情況下，采用狀態(tài)空間模型近似替代方法，對液壓系統(tǒng)進行了較為合理的簡化處理，建立了浮子式波浪能轉換裝置的時域模擬數(shù)學模型，研究了規(guī)則波浪和隨機波浪作用下該波能裝置的波能轉換特性。在本文基礎上可進一步研究波能裝置的控制問題。 【關鍵詞】：波浪能轉換裝置 頻域分析 時域模擬 能量俘獲寬度 線性能量輸出系統(tǒng) 液壓能量輸出系統(tǒng)
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P743.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目錄7-10
• 第一章 緒論10-21
• 1.1 概述10-11
• 1.2 波浪能資源分布11-12
• 1.2.1 全球波浪能資源分布11
• 1.2.2 我國波浪能資源分布11-12
• 1.3 波浪能轉換裝置概況12-16
• 1.3.1 振蕩水柱式波浪能轉換裝置14
• 1.3.2 收縮波道式波浪能轉換裝置14-15
• 1.3.3 振蕩式波浪能轉換裝置15-16
• 1.4 振蕩浮子式波浪能轉換裝置概況及研究現(xiàn)狀16-19
• 1.4.1 振蕩浮子式波浪能轉換裝置概況16-17
• 1.4.2 振蕩浮子式波浪能轉換裝置研究熱點問題17-19
• 1.5 本文主要研究內容及創(chuàng)新點19-21
• 1.5.1 研究背景及意義19-20
• 1.5.2 主要研究內容20
• 1.5.3 創(chuàng)新點20-21
• 第二章 浮子式波浪能轉換裝置水動力性能模型試驗研究21-35
• 2.1 概述21-22
• 2.2 相似法則與坐標系22-23
• 2.2.1 相似法則22
• 2.2.2 坐標系22-23
• 2.3 模型制作與校驗23-25
• 2.3.1 WEC浮體模型23-25
• 2.3.2 系泊系統(tǒng)模型25
• 2.4 海洋條件模擬25-27
• 2.5 試驗測試內容及儀器27
• 2.6 試驗內容27-28
• 2.7 結果與分析28-34
• 2.7.1 靜水衰減試驗結果28-29
• 2.7.2 白噪聲試驗結果29-30
• 2.7.3 不規(guī)則波試驗結果30-34
• 2.8 本章小結34-35
• 第三章 直接驅動的浮子式波浪能轉換裝置機理的頻域研究35-52
• 3.1 概述35
• 3.2 浮子頻域運動方程35-42
• 3.2.1 幾個基本假定36
• 3.2.2 頻域運動方程36-38
• 3.2.3 三維無航速頻域勢流理論38-42
• 3.3 能量俘獲寬度42-45
• 3.3.1 隨機波浪的生成42-43
• 3.3.2 波浪能轉換裝置吸收能量平均功率43-44
• 3.3.3 波浪能量輸運44
• 3.3.4 能量俘獲寬度計算44-45
• 3.4 能量俘獲寬度影響因素分析45-51
• 3.4.1 水深對能量俘獲寬度的影響45-46
• 3.4.2 頻率響應函數(shù)對能量俘獲寬度的影響46-48
• 3.4.3 能量輸出系統(tǒng)的阻尼系數(shù)對能量俘獲寬度的影響48-50
• 3.4.4 能量輸出系統(tǒng)的彈性系數(shù)對能量俘獲寬度的影響50-51
• 3.5 本章小結51-52
• 第四章 直接驅動的浮子式波浪能轉換裝置機理的時域研究52-71
• 4.1 概述52-53
• 4.2 浮子時域運動方程53-54
• 4.2.1 時域運動方程53
• 4.2.2 時延函數(shù)性質53-54
• 4.3 狀態(tài)空間模型近似替代方法54-59
• 4.3.1 線性系統(tǒng)54-56
• 4.3.2 狀態(tài)空間模型及其辨別56-58
• 4.3.3 參數(shù)估計方法58-59
• 4.4 時域運動方程求解59-64
• 4.4.1 隨機波浪59-61
• 4.4.2 波浪激勵力和能量輸出系統(tǒng)作用力61-62
• 4.4.3 數(shù)值求解方法62-64
• 4.5 數(shù)值算例64-70
• 4.5.1 狀態(tài)空間模型近似替代方法準確性驗證64-67
• 4.5.2 能量輸出系統(tǒng)非線性阻尼特性研究67-70
• 4.6 本章小結70-71
• 第五章 帶液壓系統(tǒng)的浮子式波浪能轉換裝置機理時域研究71-90
• 5.1 概述71
• 5.2 帶液壓系統(tǒng)的浮子式波浪能轉換裝置數(shù)學模型71-80
• 5.2.1 Matlab/Simulink仿真求解76-77
• 5.2.2 功率鍵合圖求解77-80
• 5.3 數(shù)值算例80-88
• 5.3.1 液壓系統(tǒng)固有頻率分析81-83
• 5.3.2 規(guī)則波模擬結果與分析83-87
• 5.3.3 隨機波浪模擬結果與分析87-88
• 5.4 本章小結88-90
• 第六章 總結與展望90-92
• 6.1 主要研究工作總結及結論90-91
• 6.2 進一步研究工作與展望91-92
• 參考文獻92-96
• 攻讀碩士學位期間已發(fā)表或錄用的論文96-97
• 致謝97-100
• 附件100

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