一種漂浮式雙浮體波浪能發(fā)電裝置的研究

【摘要】：近年來,全球能源供求日益緊張,環(huán)境保護與CO2減排的呼聲越來越高,這極大地促進了清潔能源的開發(fā)和利用。波浪能是一種清潔能源,其轉(zhuǎn)換技術也得到較大發(fā)展,多種不同類型的波浪能發(fā)電裝置被提出,包括振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置、收縮波道式波浪能發(fā)電裝置和振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置等。本文研究的是一種新型的漂浮式雙浮體波浪能發(fā)電裝置,它主要用于解決實際的海洋監(jiān)測需要,可通過雙浮體間的相對運動來驅(qū)動發(fā)電機,將波浪能轉(zhuǎn)換為電能。本文通過頻域和時域分析方法以及模型實驗研究手段,研究了該雙浮體波浪能發(fā)電裝置的工作機理及其波能俘獲特性。本文首先簡要介紹了涉及本課題的一些基本理論:如線性波理論、隨機波理論、浮體在波浪中的運動規(guī)律、水動力學商用軟件AQWA、以及等比例模型實驗等。其次,本文提出了可應用于海洋監(jiān)測的一種新型的雙浮體波浪能發(fā)電裝置,介紹了其基本結(jié)構和發(fā)電原理。本文研究初始方案提出上浮體采用橢球體,下浮體為質(zhì)量較重的球體,上下浮體之間通過拉繩連接,能量轉(zhuǎn)換裝置安裝在橢球體內(nèi)部。采用線性波浪理論,在僅考慮上下浮體做垂蕩運動的情況下,假設能量輸出系統(tǒng)是線性的,建立了雙浮體波浪能發(fā)電裝置頻域運動方程,并以無阻尼的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)共振理論對能量轉(zhuǎn)換裝置的剛度與阻尼進行了優(yōu)化,從數(shù)值分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該雙浮體裝置具有實際應用的可行性,本文還研制了一個相似尺寸模型并進行實驗研究,實驗結(jié)果表明規(guī)則波作用下該雙浮體波浪能發(fā)電裝置俘獲寬度比較高。再次,針對本文數(shù)值分析得到最佳阻尼過小的問題,本文創(chuàng)造性地提出對雙浮體系統(tǒng)添加約束。另外,本文研究的初始方案,上浮體采用橢球體,研究表明當入射波高較大時,拉繩將不繃緊,這在實際應用中是不允許的。因此,本文以拉繩繃緊為條件,分析了分別以圓柱體、橢圓柱體、球體、橢球體、圓錐體作為上浮體的性能,得出球體最符合設計要求的結(jié)論。從頻域分析垂蕩運動出發(fā),推導了規(guī)則波作用下的最佳相位與阻尼條件,得到了系統(tǒng)吸收的最大能量,獲取了雙球體模型波浪能發(fā)電裝置的頻率響應函數(shù),研究了能量輸出系統(tǒng)參數(shù)對頻率響應函數(shù)的影響,得到雙球體系統(tǒng)在規(guī)則波和不規(guī)則波浪條件下的吸收能量。分析結(jié)果表明對規(guī)則波與不規(guī)則波,波浪頻率或峰譜頻率與固有頻率接近時,系統(tǒng)輸出能量較大。鑒于浮體在真實海域中一般有六個自由度運動,頻域分析無法充分考慮非線性特性和控制對波浪能發(fā)電裝置波能俘獲特性的影響,本文還對雙球體模型波浪能發(fā)電裝置進行了時域模擬分析,考慮了多個自由度方向的運動。采用狀態(tài)空間模型近似替代時域運動方程中卷積項方法,運用頻域方法對系統(tǒng)進行參數(shù)識別,建立了頻域識別步驟,推導了拉繩對浮體的作用力分量。本文對裝置進行了時域運動仿真,研究了規(guī)則波與不規(guī)則波作用下不同周期與波高,不同能量輸出系統(tǒng)參數(shù)對該雙球體模型波浪能發(fā)電裝置俘獲波能的影響。本文推導了多自由度系統(tǒng)的十二個固有周期。對雙球體模型波浪能發(fā)電裝置吸收能量與僅考慮垂蕩運動進行比較,得出兩者分析結(jié)果高度一致性,也表明提出的雙球體模型波浪能發(fā)電裝置主要做垂蕩運動的特性。最后,本文研制了雙球體浮子相似模型,并實驗研究了該波浪能發(fā)電裝置的特性,得到了良好的結(jié)果數(shù)據(jù)。論文最后對全文進行了總結(jié),并提出了今后的研究方向。 【關鍵詞】：雙浮體波浪能發(fā)電裝置 頻域分析 形狀優(yōu)化 時域模型 多自由度 模型實驗
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM612
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-24
• 1.1 研究背景及意義13-15
• 1.1.1 研究背景13
• 1.1.2 海洋波浪能概述13-14
• 1.1.3 研究意義14-15
• 1.2 波浪能發(fā)電裝置概述15-20
• 1.3 波浪能發(fā)電技術難點與研究熱點20-21
• 1.3.1 波浪能發(fā)電技術難點20
• 1.3.2 波浪能發(fā)電技術研究熱點20-21
• 1.4 本課題的研究內(nèi)容21-24
• 1.4.1 課題的提出21
• 1.4.2 課題研究的內(nèi)容21-22
• 1.4.3 課題的創(chuàng)新點22-24
• 第二章 波浪模型、頻域運動模型以及實驗模型的建立24-38
• 2.1 概述24-25
• 2.2 波浪模型25-27
• 2.2.1 規(guī)則波模型25-26
• 2.2.2 不規(guī)則波模型26-27
• 2.3 浮體在波浪中的頻域運動模型27-34
• 2.3.1 單自由浮體在波浪中的運動27-31
• 2.3.2 雙自由浮體在波浪中的運動31-33
• 2.3.3 雙相連浮體在波浪中的運動33-34
• 2.4 水動力學商用軟件AQWA簡介34-35
• 2.5 等比例模型實驗35-37
• 2.5.1 原型尺寸和模型尺寸35
• 2.5.2 相似準則35-36
• 2.5.3 數(shù)據(jù)采集過程簡介36-37
• 2.6 結(jié)論37-38
• 第三章 方案設計、理論分析與實驗驗證38-47
• 3.1 新型雙浮體波浪能發(fā)電裝置38-39
• 3.1.1 新型雙浮體波浪能發(fā)電裝置的設計與特點38-39
• 3.1.2 新型雙浮體波浪能發(fā)電裝置的工作原理39
• 3.2 理論與頻域數(shù)值分析39-44
• 3.2.1 靜態(tài)分析39
• 3.2.2 頻域數(shù)學模型39-41
• 3.2.3 數(shù)值分析結(jié)果41-44
• 3.3 等比例模型實驗44-46
• 3.3.1 實驗模型結(jié)構44-45
• 3.3.2 實驗結(jié)果45-46
• 3.4 結(jié)論46-47
• 第四章 波浪能發(fā)電裝置浮體優(yōu)化與頻域研究47-68
• 4.1 概述47
• 4.2 浮體優(yōu)化條件的建立47-50
• 4.2.1 靜平衡條件47-48
• 4.2.2 約束、相位和阻尼條件48-49
• 4.2.3 繩子的繃緊條件49-50
• 4.2.4 設計的波浪要素50
• 4.3 上浮體形狀的優(yōu)化分析50-57
• 4.3.1 圓柱體50-52
• 4.3.2 橢圓柱體52
• 4.3.3 球體52-53
• 4.3.4 橢球體53-55
• 4.3.5 圓錐體55-56
• 4.3.6 優(yōu)化分析結(jié)果56-57
• 4.4 雙球體模型波浪能發(fā)電裝置的頻域研究57-67
• 4.4.1 波浪載荷計算57-59
• 4.4.2 頻域響應函數(shù)59-62
• 4.4.3 規(guī)則波與不規(guī)則波分析62-67
• 4.4.3.1 規(guī)則波分析62-65
• 4.4.3.2 不規(guī)則波分析65-67
• 4.5 結(jié)論67-68
• 第五章 時域建模與雙球體模型波浪能發(fā)電裝置實驗研究68-102
• 5.1 概述68-69
• 5.2 時域分析對象69
• 5.3 時域模型的建立69-75
• 5.3.1 多自由度時域運動方程69-70
• 5.3.2 時延函數(shù)的性質(zhì)70-71
• 5.3.3 基于頻域識別的狀態(tài)空間替代模型71-75
• 5.3.3.1 線性系統(tǒng)71
• 5.3.3.2 線性系統(tǒng)的時域模型71-72
• 5.3.3.3 傳遞函數(shù)與頻率響應函數(shù)72
• 5.3.3.4 頻域參數(shù)識別72-73
• 5.3.3.5 頻域識別步驟73-75
• 5.4 拉繩對上下浮體的作用力75-77
• 5.5 頻域識別結(jié)果與精度77-80
• 5.5.1 縱蕩和垂蕩運動的頻域識別77-80
• 5.5.1.1 縱蕩運動的頻域識別結(jié)果77-78
• 5.5.1.2 垂蕩運動的頻域識別結(jié)果78-80
• 5.5.2 狀態(tài)空間替代模型精度的驗證80
• 5.6 上下球體的運動過程分析80-84
• 5.6.1 規(guī)則波作用下浮體的運動過程分析80-82
• 5.6.2 不規(guī)則波作用下浮體的運動過程分析82-84
• 5.7 波高和周期對系統(tǒng)吸收能量的影響84-86
• 5.7.1 周期一定，波高變化84-86
• 5.7.2 波高一定，周期變化86
• 5.8 PTO剛度和阻尼對系統(tǒng)吸收能量的影響86-94
• 5.9 等比例模型實驗94-100
• 5.9.1 雙球體模型結(jié)構94-95
• 5.9.2 實驗結(jié)果95-100
• 5.9.2.1 波高與輸出電壓變化曲線96-97
• 5.9.2.2 輸出功率與效率隨周期和波高變化97
• 5.9.2.3 輸出功率與效率隨剛度和負載變化97-99
• 5.9.2.4 輸出功率與效率隨質(zhì)量和吃水變化99-100
• 5.10 結(jié)論100-102
• 第六章 結(jié)論與展望102-105
• 6.1 主要研究工作總結(jié)及結(jié)論102-103
• 6.2 進一步研究工作與展望103-105
• 參考文獻105-110
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果110-111
• 致謝111-112
• 附件112

您可以在本站搜索以下學術論文文獻來了解更多相關內(nèi)容

海洋能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與前景    游亞戈;李偉;劉偉民;李曉英;吳峰;

中國近海及臨近海域海浪的季節(jié)特征及其時間變化    陳紅霞;華鋒;袁業(yè)立;

海洋波浪能發(fā)電技術進展    余志;

Spar平臺垂蕩板水動力系數(shù)計算與分析    滕斌;鄭苗子;姜勝超;勾瑩;呂林;

深海中浮式直立圓柱體水動力系數(shù)研究    王冬姣;周暉;

10kW漂浮點吸收直線發(fā)電波力裝置    吳必軍;刁向紅;王坤林;游亞戈;張運秋;孫洲平;肖陽;胡國葆;賈海媛;諶瑾;

波浪模型試驗中水密度對相似性的影響    孟祥瑋;高學平;孫精石;

STATE-SPACE MODELLING OF DYNAMIC SYSTEMS IN OCEAN ENGINEERING    JohannesFalnes

柱對稱雙浮子波能裝置散射問題的解析方法    吳必軍,鄭永紅,游亞戈,孫曉燕,陳勇

漂浮式海浪發(fā)電系統(tǒng)研究    李丹;白保東;俞清;朱寶峰;

浮子形狀對振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置發(fā)電效率的影響    歷福偉

振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置性能的研究    平麗

海洋浮子式波浪發(fā)電裝置結(jié)構設計及試驗研究    王凌宇

波浪與兩浮體相互作用的數(shù)值與模型試驗研究    文君鋒

全液壓漂浮式海浪發(fā)電裝置的結(jié)構設計及優(yōu)化分析    郝寧

組合型振蕩浮子波能發(fā)電裝置研究    高人杰

浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置機理的頻域及時域研究    程正順

一種新型擺式波浪發(fā)電裝置的研制    鄧啟平

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

完全非線性波的數(shù)值模擬    朱仁慶,王志東,楊松林

二維半理論和切片法的數(shù)值比較研究    馬山,宋競正,段文洋

有限水深復合格林函數(shù)的數(shù)值計算    謝永和,李潤培,舒志

船體濕表面脈動壓力預報的三維非線性方法    張海彬,戴仰山,任慧龍

考慮粘性影響的單體復合船型的運動預報    李積德;張恒;

有限水深格林函數(shù)及其導數(shù)的改進Gauss-Laguerre算法    劉日明;任慧龍;李輝;

考慮粘性和航態(tài)影響的單體復合船型運動預報    孫樹政;李積德;趙曉東;

高速雙體船斜浪中運動響應及連接橋波浪載荷預報    耿彥超;顧學康;汪雪良;

破損艦船剩余強度的可靠性評估方法研究    任慧龍;李陳峰;李輝;馮國慶;

基于慣性擺的波能獲取研究    張穎;李孟歆;侯亮;

基于OpenFOAM的船舶與液艙流體晃蕩在波浪中時域耦合運動的數(shù)值模擬    李裕龍;朱仁傳;繆國平;范菊;陸志妹;

滾裝船整船結(jié)構數(shù)值計算研究    李剛強;謝永和;王偉;李磊;

我國船舶水彈性力學研究的部分進展    吳有生;張效慈;司馬燦;崔維成;林吉如;

譜疲勞分析中小波浪的不同處理方法分析研究    鄧合霞;夏日長;

波浪能發(fā)電的開發(fā)與展望    任建莉;徐璋;鐘英杰;張雪梅;

低碳生態(tài)材料的開發(fā)之路    陳錦祥;

液態(tài)金屬磁流體波浪能直接發(fā)電試驗研究    李建;彭燕;趙凌志;劉保林;沙次文;許玉玉;李然;李雪臨;

新型波浪能開發(fā)技術的發(fā)展啟示    李永國;王世明;

海鳥式海浪發(fā)電方法    王應龍;王鐘鳴;

吊艙推進器推進及空泡性能的數(shù)值模擬    解學參

不規(guī)則波中浮體二階水動力時域數(shù)值模擬    徐剛

國家石油儲備基地運行管理研究    朱根民

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關鍵技術研究    張大海

經(jīng)典式Spar平臺非線性耦合動力響應研究    趙晶瑞

新型深吃水多立柱平臺的水動力與運動響應研究    李彬彬

深水平臺錨泊定位系統(tǒng)動力特性與響應分析    喬東生

智能水下機器人水下管道檢測與跟蹤技術研究    唐旭東

基于虛擬樣機技術的氣墊船推進軸系動力學特性研究    耿瑞光

深海浮式結(jié)構物與其系泊纜索的耦合動力分析    王興剛

四槳兩舵大型船舶螺旋槳的面元法設計研究    周斌

海上浮式風力發(fā)電機組載荷及結(jié)構性能研究    黃俊

半潛式海洋潮流電站系統(tǒng)性能研究    李在鵬

浮子式波浪發(fā)電裝置設計及其功率特性研究    孟揚

LNG船運動與載荷計算方法研究    郭宇

基于Rankine源法艦船有航速時域三維波浪載荷計算    王偉飛

立體視覺測量及半潛平臺模型試驗研究    徐強

半潛平臺波浪繞射的三維時域計算    張昊

波浪中船舶六自由度“操縱—搖蕩”耦合運動數(shù)值仿真    劉偉明

計及粘性耗散的自由面頻域格林函數(shù)研究    申靜

用源分布方法求解淺水中二維任意剖面在自由表面上垂蕩的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)    陳宏彬,李遠林

半潛式超大型浮體的多剛體試驗研究    呂海寧,楊建民,張承懿

波浪中兩個浮體水動力相互作用的數(shù)值計算    謝楠,郜煥秋

160kDWT FPSO在極淺水中運動安全性研究    肖龍飛;楊建民;范模;彭濤;

A B-Spline based BEM and Its Applicaion in Predicting Wave Forces on 3D Bodies    滕斌 ,柏威 ,向陽

Numerical Study of Air Chamber for Oscillating Water Column Wave Energy Convertor    劉臻;HYUN Beom-Soo;HONG Keyyong;

世界海洋發(fā)電技術的發(fā)展展望    袁思銳;

橢圓余弦波在工程上的應用    邱大洪

處理準奇異積分的自適應高斯積分法    孫亮;滕斌;寧德志;

海洋能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與前景    游亞戈;李偉;劉偉民;李曉英;吳峰;

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關鍵技術研究    張大海

岸式振蕩水柱波能發(fā)電裝置的試驗及數(shù)值模擬研究    劉臻

OWC發(fā)電裝置二次能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究    焦建輝

我國波浪能開發(fā)利用可行性研究    管軼

表面不平整突體升坎水力特性與海流能轉(zhuǎn)換器的試驗研究    張旭

雙浮子海浪發(fā)電裝置參數(shù)分析以及結(jié)構優(yōu)化設計    張登霞

振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置性能的研究    平麗

張力腿平臺的波頻耦合動力響應分析    劉日明

浮子式海浪發(fā)電船的動態(tài)分析與仿真    林江波

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

基于ADAMS的破碎錘工作裝置動態(tài)仿真分析    薛峰

海洋波浪能發(fā)電系統(tǒng)    

波浪能發(fā)電裝置的研究    岳文艷;張友恒;

沖繩試驗波浪能發(fā)電    日利

波浪能發(fā)電    

波浪能發(fā)電技術教學探討    張濤;

雙浮體——棘輪式波浪能發(fā)電裝置    陳建秋

西班牙將建造歐洲大陸第1個波浪能發(fā)電站    

基于現(xiàn)場測試的波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率分析方法研究    崔琳;熊焰;王海峰;楊立;

海洋波浪能發(fā)電技術的發(fā)展與應用    沈利生;張育賓;

世界海洋波浪能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與前景    肖惠民;于波;蔡維由;

波浪能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望    曲泉鈾;何宏舟;

立足靜水層利用離岸波浪能發(fā)電的方法    陳傳文;

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;

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

振蕩浮子式磁流體波浪能發(fā)電系統(tǒng)電機特性分析    胡玉震;彭燕;趙淩志;

波浪能發(fā)電的開發(fā)與展望    任建莉;徐璋;鐘英杰;張雪梅;

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;

西班牙將建造波浪能發(fā)電站    毛文波

漂浮式波浪能發(fā)電裝置獲專利授權    記者 張建列 通訊員 謝舜源

利用波浪能發(fā)電    張蕊

波浪能發(fā)電 商用前景展現(xiàn)曙光    高琳 唐晗

俄研制出實驗型波浪能發(fā)電系統(tǒng)    欒海

世界首座太陽能風能波浪能發(fā)電站將在我國誕生    魏剛

6人團隊首創(chuàng)“波浪能發(fā)電項目”    本報記者 譚華建

波浪能發(fā)電“很潮”“很給力”    見習記者 丁樂平　記者 汪堅

新型磁流體波浪能發(fā)電競爭力可期    中國科學院電工研究所 彭燕

廣州研制出獨立穩(wěn)定波浪能發(fā)電系統(tǒng)    金晶 彭勇　

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關鍵技術研究    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

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

內(nèi)置式波浪能發(fā)電裝置的設計與分析    劉巖濤

五翼臥輪式波浪能發(fā)電裝置研究與試驗    汪亞南

一種漂浮式雙浮體波浪能發(fā)電裝置的研究    戴佑明

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置仿真與實驗研究    黃煒

波浪能發(fā)電系統(tǒng)的振蕩浮子結(jié)構優(yōu)化    毛來鋒

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置的設計及功率計算分析    王淑婧

多點直驅(qū)式波浪能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設計與開發(fā)    張皓然

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

振蕩浮子的實驗研究    張向陽