水平軸海流能發(fā)電機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】： 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)不斷發(fā)展使人類對(duì)能源的需求持續(xù)增加,同時(shí)人類又面臨著嚴(yán)重的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題,如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展是世界各國(guó)所面臨的共同問(wèn)題。海流能是一種新型綠色可再生能源,其蘊(yùn)藏量巨大,但惡劣的海洋環(huán)境是海流能開(kāi)發(fā)的不利條件,它給透平裝置、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及機(jī)組的功率穩(wěn)定輸出帶來(lái)很大的困難。研究論證水平軸式海流能發(fā)電裝置的可行性、提高其惡劣環(huán)境下的生存能力及可靠性、提高機(jī)組的功率穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)最大能量捕獲等都是海流能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中的重要課題。 作為一種系統(tǒng)集成創(chuàng)新的利用海流動(dòng)能來(lái)發(fā)電的裝置,水平軸式海流能發(fā)電裝置的研制存在若干關(guān)鍵技術(shù),本文通過(guò)理論分析、數(shù)學(xué)仿真及廠房試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段對(duì)其進(jìn)行了研究。首先通過(guò)動(dòng)量理論對(duì)葉輪的最大能量捕獲規(guī)律進(jìn)行分析,并運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)理論及數(shù)值模擬方法對(duì)葉片翼形進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)特性的研究及設(shè)計(jì)。在傳動(dòng)系統(tǒng)方面,重點(diǎn)研究了三分流三合流的半直驅(qū)式傳動(dòng)方案及液壓式能量傳動(dòng)方案,通過(guò)對(duì)半直驅(qū)傳動(dòng)方案的廠房試驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及液壓傳動(dòng)方案的仿真試驗(yàn)結(jié)果的分析,明確兩種傳動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。功率輸出的穩(wěn)定性及能量捕獲的最大化也是海流能發(fā)電裝置的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),論文在對(duì)電氣控制方案實(shí)現(xiàn)最大能量捕獲控制方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹后,對(duì)采用液壓容積調(diào)速方法的液壓式能量傳動(dòng)系統(tǒng)在功率穩(wěn)定及最大能量捕獲方面的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)研究,結(jié)果表明帶蓄能器及液壓式容積調(diào)速方案的液壓能量傳動(dòng)系統(tǒng)在能量最大捕獲及功率輸出穩(wěn)定性方面性能良好。對(duì)變槳距原理及其控制算法在功率穩(wěn)定控制方面的作用進(jìn)行了半物理仿真試驗(yàn),結(jié)果表明當(dāng)水流流速大于額定流速時(shí),變槳距機(jī)構(gòu)可以使葉輪功率穩(wěn)定在額定功率附近。 另外,課題對(duì)海流能發(fā)電裝置的耐腐蝕、密封系統(tǒng)、剎車裝置、電氣負(fù)載、主控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)安裝方式等都進(jìn)行了研究。 論文各章內(nèi)容分述如下: 第一章論述了海流能發(fā)電裝置研究的背景、目的和意義;介紹了國(guó)內(nèi)外在海/潮流能發(fā)電技術(shù)方面的進(jìn)展及現(xiàn)狀,最后總結(jié)了當(dāng)前海流能發(fā)電裝置研究方面亟待解決的部分科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。 第二章運(yùn)用動(dòng)量理論、相關(guān)水動(dòng)力學(xué)理論及角動(dòng)量理論對(duì)水平軸式海流能發(fā)電裝置的葉輪最大能量捕獲規(guī)律進(jìn)行分析,運(yùn)用葉素理論對(duì)葉片翼形進(jìn)行受力分析,隨后介紹氣蝕理論及水平軸式海流能發(fā)電裝置的組成結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理。 第三章分述了水平軸式海流能發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬方法對(duì)葉片水動(dòng)力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究;對(duì)變槳距機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算及設(shè)計(jì);進(jìn)行半直驅(qū)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)并引申出液壓傳動(dòng)方案;對(duì)機(jī)組電氣負(fù)載控制系統(tǒng)及相關(guān)附件進(jìn)行介紹。 第四章研究了液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在水平軸式海流能發(fā)電裝置中的應(yīng)用,包括液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、元器件選型;并在AMESim軟件及Matlab/Simulink下對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行建模及仿真,將其結(jié)果與半直驅(qū)傳動(dòng)方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出相關(guān)結(jié)論。 第五章介紹了水平軸海流能發(fā)電裝置的變速運(yùn)行理論及變槳距控制理論。從電力電子控制及液壓控制兩種方式上對(duì)變速運(yùn)行控制策略進(jìn)行介紹,并重點(diǎn)對(duì)采用液壓容積調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)葉輪能量最大捕獲進(jìn)行研究;最后對(duì)變槳距控制原理及算法實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定進(jìn)行了半物理仿真試驗(yàn)。 第六章對(duì)5kw原理樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行介紹,分析試驗(yàn)結(jié)果;對(duì)25kw級(jí)半直驅(qū)傳動(dòng)方案機(jī)組的廠房試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行介紹,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)機(jī)組的效率及葉輪特性等進(jìn)行分析總結(jié)。 第七章概括了論文的主要研究工作和研究成果,并對(duì)本課題今后的研究工作和研究方向講行展望。 【關(guān)鍵詞】：海流能 水下渦輪發(fā)電 葉輪設(shè)計(jì) 變槳距 齒輪箱能量傳動(dòng) 液壓式能量傳動(dòng) 能量最大捕獲 功率穩(wěn)定
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：P743.1
【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14-18
• 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16-18
• 1.2 國(guó)內(nèi)外海/潮流能發(fā)電技術(shù)進(jìn)展18-26
• 1.2.1 傳統(tǒng)的海/潮流能利用技術(shù)18-19
• 1.2.2 新型海/潮流發(fā)電技術(shù)發(fā)展19-26
• 1.3 水平軸式海流能發(fā)電技術(shù)待解決的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題26-30
• 1.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容30-32
• 2 水平軸海流能發(fā)電裝置工作機(jī)理32-42
• 2.1 水平軸海流能發(fā)電裝置的葉輪能量捕獲理論32-38
• 2.1.1 葉輪捕能模型32-34
• 2.1.2 葉素理論及角動(dòng)量理論34-37
• 2.1.3 葉片的氣蝕理論37-38
• 2.2 水平軸海流能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)及原理38-42
• 2.2.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)38-40
• 2.2.2 機(jī)組工作原理40-42
• 3 水平軸式海流能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究42-72
• 3.1 葉輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)42-49
• 3.1.1 葉片翼形水動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值模擬42-45
• 3.1.2 葉片幾何外形設(shè)計(jì)45-47
• 3.1.3 葉輪驅(qū)動(dòng)力矩及軸向力計(jì)算47-49
• 3.2 變槳距機(jī)構(gòu)計(jì)算及設(shè)計(jì)49-56
• 3.2.1 變槳距機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算50-51
• 3.2.2 變槳距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)51-53
• 3.2.3 變槳距機(jī)構(gòu)特性仿真研究53-56
• 3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)56-61
• 3.3.1 半直驅(qū)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)57-59
• 3.3.2 液壓式能量傳動(dòng)方案簡(jiǎn)介59-60
• 3.3.3 密封機(jī)構(gòu)研究60-61
• 3.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)61-67
• 3.4.1 發(fā)電機(jī)選型61-62
• 3.4.2 負(fù)載控制器設(shè)計(jì)62-64
• 3.4.3 主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)64-67
• 3.5 主要附件的理論設(shè)計(jì)67-72
• 4 液壓式能量傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究72-92
• 4.1 液壓傳動(dòng)方案機(jī)組的結(jié)構(gòu)72-73
• 4.2 液壓式能量傳動(dòng)系統(tǒng)組成及選型計(jì)算73-76
• 4.2.1 泵及馬達(dá)選型及參數(shù)計(jì)算74-75
• 4.2.2 蓄能器及其它附件的選型75-76
• 4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)仿真研究76-88
• 4.3.1 仿真用的海/潮流簡(jiǎn)化模型76-77
• 4.3.2 葉輪及發(fā)電機(jī)仿真模型77-80
• 4.3.3 半直驅(qū)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的海流能發(fā)電裝置仿真研究80-84
• 4.3.4 液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的海流能發(fā)電裝置仿真研究84-88
• 4.4 液壓式軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真88-92
• 5 海流能發(fā)電裝置變速運(yùn)行及功率穩(wěn)定控制92-110
• 5.1 水平軸式海流能發(fā)電裝置的變速運(yùn)行理論92-94
• 5.2 變速運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方式94-104
• 5.2.1 變速運(yùn)行的控制策略94-96
• 5.2.2 電機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)葉輪最大能量捕獲研究96-97
• 5.2.3 液壓容積調(diào)速實(shí)現(xiàn)葉輪最大能量捕獲研究97-103
• 5.2.4 關(guān)于控制器討論103-104
• 5.3 水平軸海流能發(fā)電裝置變槳距控制104-110
• 5.3.1 變槳距控制理論104-106
• 5.3.2 海流能發(fā)電裝置變槳距控制及試驗(yàn)研究106-110
• 6 海流能發(fā)電裝置試驗(yàn)及結(jié)果分析110-127
• 6.1 水平軸式海流能發(fā)電裝置原理性試驗(yàn)110-112
• 6.1.1 試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)110-112
• 6.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析112
• 6.2 25kW半直驅(qū)式海流能發(fā)電裝置試驗(yàn)112-127
• 6.2.1 機(jī)組在廠房?jī)?nèi)的性能試驗(yàn)112-117
• 6.2.2 機(jī)組氣密性試驗(yàn)117-118
• 6.2.3 機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)118-125
• 6.2.4 機(jī)組效率分析125-127
• 7 水平軸海流能發(fā)電裝置研究結(jié)論與展望127-131
• 7.1 課題及論文總結(jié)127-129
• 7.1.1 論文主要研究?jī)?nèi)容127-129
• 7.1.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)129
• 7.2 工作展望129-131
• 參考文獻(xiàn)131-138
• 攻博期間發(fā)表(錄用)的論文138

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2000～2015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃要點(diǎn)    

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世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀和可再生能源發(fā)展趨勢(shì)(下)    錢伯章;

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基于液壓傳動(dòng)的潮流能發(fā)電裝置及其變槳距機(jī)構(gòu)研究    劉宏偉;李偉;林勇剛;馬舜;

潮流能柔性葉片水輪機(jī)導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬    邱飛;王樹(shù)杰;譚俊哲;袁鵬;

    

水平軸潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換率及功率控制研究    馬舜

采用蓄能器的液壓電梯變頻節(jié)能控制系統(tǒng)研究    徐兵

應(yīng)用時(shí)域格林函數(shù)方法模擬有限水深中波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用    韓凌

大型風(fēng)力機(jī)變槳距控制技術(shù)研究    林勇剛

液壓電梯閉式回路節(jié)能型電液控制系統(tǒng)研究    林建杰

豎軸潮流水輪機(jī)水動(dòng)力性能理論與實(shí)驗(yàn)研究    汪魯兵

波浪與浮式結(jié)構(gòu)物相互作用的研究    鄭艷娜

波浪與建筑物作用的數(shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用    谷漢斌

大型風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)性能計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究    李軍向

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)控制技術(shù)研究    郭洪澈

基于格子Boltzmann方法的海流能水輪機(jī)翼型葉片水動(dòng)力特性研究    徐超

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模與并網(wǎng)仿真分析    董桐宇

風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)與流場(chǎng)仿真    劉克剛

水平軸潮流水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)研究    王儉超

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

水平軸潮流能發(fā)電機(jī)械葉片設(shè)計(jì)及特性分析    徐學(xué)濤

風(fēng)力機(jī)專用新翼型及其氣動(dòng)特性研究    黃繼雄

大型水平軸風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算和強(qiáng)度分析的方法研究    曾杰

變速恒頻潮流發(fā)電系統(tǒng)的分析研究    楊少勇

艦船在波浪中運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法研究    張國(guó)慶

基于液壓傳動(dòng)的浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)壓恒頻控制    鮑經(jīng)緯;李偉;張大海;林勇剛;劉宏偉;

水壓軸向柱塞泵滑靴副紊流下水膜靜壓支承特性    王慧;郝立志;

水平軸海流能發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)與性能分析    何煜平;楊建民;

水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組獨(dú)立變槳距系統(tǒng)    徐全坤;李偉;劉宏偉;林勇剛;石茂順;

風(fēng)力發(fā)電中液壓技術(shù)的應(yīng)用研究    李偉;涂樂(lè);林勇剛;

100kW海洋能發(fā)電裝置變槳距機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)研究    廖建泉;蔡曉君;

基于液壓變壓器原理的海流發(fā)電液壓傳動(dòng)系統(tǒng)    石茂順;劉宏偉;李偉;林勇剛;丁金鐘;周宏賓;

擺式波能轉(zhuǎn)換裝置研究    邱守強(qiáng)

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置仿真與實(shí)驗(yàn)研究    黃煒

水平軸潮流能發(fā)電裝置海洋環(huán)境載荷與可靠性分析    邱飛

海流能轉(zhuǎn)換器水動(dòng)力特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究    汪潔

豎軸潮流能水輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究    郭嘉楠

一種新型擺式波浪發(fā)電裝置的研制    鄧啟平

浮體繩輪波浪發(fā)電裝置傳動(dòng)系統(tǒng)研究    商圣勇

水平軸海流能發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件載荷分析及其試驗(yàn)研究    吳少龍

水平軸海流能發(fā)電裝備能量管理控制系統(tǒng)的研究    劉磊

大型潮流能發(fā)電場(chǎng)的電氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析與測(cè)試評(píng)價(jià)    申惠琪

基于海上風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電的液壓系統(tǒng)研究    王向志

斜盤式軸向柱塞泵實(shí)際流量的分析研究    郭衛(wèi)東，王占林

柴油機(jī)動(dòng)態(tài)工況仿真模型及控制算法的對(duì)比分析研究    凌英,寧智,孫金鳳

水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行的控制策略    林瑞光，趙榮祥，黃進(jìn)，許大中

三門峽電站水輪機(jī)導(dǎo)葉軸頸密封改造    石永偉,趙憲荷,王民富

交流電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)    尹玲玲,胡育文

水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉修復(fù)時(shí)的自動(dòng)變位機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)    王希靖,李鶴岐,張瑞華

神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制器的研究    姜平,宋文忠

一種自整定模糊PID型控制器    齊建玲,趙秀芬,褚 澤

行星齒輪傳動(dòng)的功率分流動(dòng)態(tài)均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)    袁茹,王三民,沈允文

美國(guó)重視海洋科技發(fā)展    于保華

主動(dòng)磁力軸承的模糊PID控制    湯玲

海流能:本世紀(jì)以來(lái)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)作    李曉蘭;

海流能利用技術(shù)研究進(jìn)展與展望    劉美琴;仲穎;鄭源;趙振宙;

海流能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率測(cè)試技術(shù)研究    王海峰;熊焰;崔琳;郭毅;黃勇;王鑫;楊立;

海洋能源的種類    余志

海流能增速管糾正偏流的實(shí)驗(yàn)研究    王立;董志勇;張旭;韓偉;俞小偉;

海洋能源的種類    宋增揚(yáng)

海流發(fā)電發(fā)展方向及技術(shù)路線思考    田應(yīng)元;張?jiān)坪?任翀;

海洋能    

夏季北黃海南部定點(diǎn)高分辨率實(shí)測(cè)海流分析    于華明;鮑獻(xiàn)文;朱學(xué)明;陳學(xué)恩;吳德星;

水平軸螺旋槳式海流能發(fā)電裝置模型分析及試驗(yàn)研究    劉宏偉;李偉;林勇剛;馬舜;

海洋能開(kāi)發(fā)利用的新技術(shù)概覽    孫曉晶;

水平軸海流能水輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究    王儉超;王樹(shù)杰;李偉;袁鵬;邱飛;

海/潮流能發(fā)電裝置液壓型能量傳動(dòng)系統(tǒng)研究    劉宏偉;李偉;林勇剛;馬舜;

正向海流情形雙向葉片渦輪機(jī)文丘里型增速裝置    董志勇;王立;張旭;韓偉;俞小偉;顏效凡;

海潛Ⅱ型遙控潛水器    李智剛;康守權(quán);張艾群;

海洋水下儀器超低流速電能補(bǔ)充技術(shù)研究    張雪明;徐明奇;王巖峰;孫培光;

水平軸螺旋槳式海流能發(fā)電技術(shù)研究    李偉;林勇剛;劉宏偉;馬舜;

水平軸海流能水輪機(jī)水槽模型實(shí)驗(yàn)研究    王樹(shù)杰;王儉超;袁鵬;厲文超;王英英;陳存福;邱飛;

海/潮流能發(fā)電裝置葉片翼形優(yōu)化及氣蝕研究    劉宏偉;李偉;林勇剛;

海島孤立電網(wǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行    甘德強(qiáng);黃民翔;楊歡;辛煥海;汪震;楊莉;

海洋——人類未來(lái)的能源庫(kù)    張秋旭

海洋能否成為“能量之源”    陳乃超　吳凡夫

“重返海洋”人類能做些什么    李冬松

能源要進(jìn)行集中“補(bǔ)血”    高山平

海洋能源知多少    竇光宇

河北12層以下新建住房采用太陽(yáng)能熱水    翟開(kāi)礦

海洋能源    張海威

國(guó)際社會(huì)關(guān)注我國(guó)能源問(wèn)題    楚源

英國(guó)首臺(tái)海浪發(fā)電機(jī)開(kāi)始供電    何屹

中國(guó)能源需補(bǔ)血    本報(bào)記者 陸彩榮

水平軸海流能發(fā)電機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究    劉宏偉

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

偏流作用下海流能轉(zhuǎn)換器的技術(shù)研究    王立

水平軸海流能發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件載荷分析及其試驗(yàn)研究    吳少龍

水平軸海流能發(fā)電裝備能量管理控制系統(tǒng)的研究    劉磊

海流能轉(zhuǎn)換器水動(dòng)力特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究    汪潔

水平軸海流能發(fā)電機(jī)械水動(dòng)力性能的研究    辛小鵬

海流能發(fā)電技術(shù)中電力變換系統(tǒng)的優(yōu)化研究    王劍

水平軸海流機(jī)葉片與漂浮式支撐的設(shè)計(jì)與研究    何煜平

寒潮天氣對(duì)區(qū)域海流能及溫差能影響的模擬研究    周雨

海洋能集成供電系統(tǒng)的研究    張?jiān)w