您好、欢迎来到现金彩票网!
当前位置:彩之网 > 浮式 >

兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究pdf

发布时间:2019-07-07 14:22 来源:未知 编辑:admin

  1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。

  研究生优秀毕业论文研究生优秀毕业论文 大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着全球能源消费的迅速增长,能源安全和能源环境问题越来越受到关注。各国 科学家都在努力研究,开发和利用新能源。海洋能以其独特的魅力吸引了无数研究者的 目光。海洋能不仅储量大,而且种类繁多。其中海洋波浪能无处不在,而且受时间限制 相对较小,同时波浪能的能流密度较大,可以通过较小的装置俘获较大的能量。因此, 各国科学家提出了很多种不同的波浪能吸收装置,却未商业化,这是急需解决的问题。 传统的振荡浮子式波浪能装置需要专门在海上为该装置建立支撑或者底座系统,这 大大增加了投资的成本,限制了波浪能装置的规模化和商业化。一种方式是通过建立多 功能海上结构物,利用已有的海上浮体或者其他海上结构充当波浪能转换装置的支撑系 统,如海上浮式防波堤。当一个波列通过波浪能装置时,由于一部分波浪能量被波浪能 装置提取,从而使通过装置后的波高下降。因此波浪能装置的作用与防波堤有一些类似, 防波堤简单的把波浪反射回海里,而波能装置则提取一部分波浪能量并把它转化成电 能。因此,将浮式防波堤和波浪能转换装的功能结合是一个切实可行的选择。基于此, 本文提出一种具有波浪能转换功能的浮式防波堤结构,并对该结构的水动力特性进行研 究。 本文利用有限元方法和VOF技术建立了二维粘性数值波浪水槽,对兼具波浪能转 换功能的圆柱形浮式防波堤进行研究。主要研究浮式防波堤在波浪作用下的运动响应, 探究浮体断面尺寸、阻尼系数等参数对单个圆柱形浮式防波堤的消浪性能和波浪能提取 效率的影响。考虑到单个圆柱形浮式防波堤的消浪作用有限,本文建立了双圆柱形浮子 的数值模型,对双圆柱形浮子在波浪作用下的运动响应进行了研究。同时利用物理模型 试验,分析波高和波浪周期等参数对浮式防波堤性能的影响。 关键词:波浪能提取装置;浮式防波堤;数值波浪水槽;物理模型试验;波浪透射 系数;波浪能提取效率 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 ———————————————————————————————————————————————————————————一一 Perfornlanceof BreakwaterDouble Floating UsedasWaVe Ene娼y Converrtor Abs竹act Withthe of rapidgro帆hglobal issuesof and energyconsumption,the energysecurity enVlronnlenthaVebecome ahot from v撕ouscountriesare topic.ScientistS to workinghard a11dutllize deVelop new sources.0ceanwithits energy channhasattmcted energy unique 7 researchers mally waVe whichisabundantandthelimitof attentlon,especiallyenergy timeis small.Atthe relatlVeIy sametimethe ismore and ene玛ydensity canbe largerlargeenergy asmall captured by scientistsdevisedvarious deVice.nlerefore,many wave energyabsorbing thedeVicesdidnot devices,but isan conunerciaIized,which urgentproblem. nadltlonalwaVe device needbuilda or energyabsorbing foundationstnlcture suppoIrt alorle,w上lichincreaSesthecost ofinvestmentand greatly limitsthescaleofthe devices.An 1deato nleeconomical lmproVe ofwave is t0buildmulti.fhnction feaSibmtyene唱y coastaIor ocean asme engineering breakwater.Itis buildings,Such reasonableto that floating expect wnenawaVechaln waVe passes wave energyconVerter,the wiUdecreasesinceof heights part thewave istookoff energy convener.ThusawaVe acts a by energ),conVeIrterlikebreal(water’ but ratherthaIl renectwaVesbackto simply me f.o胁erabsorbs sea,the ofwave part energv andtumsltmto isnot ttlat electricity.It the如nctionofwaVe su印risecombining converters and breakwatersbecomesaViable this focuson option.In ofthe paper,we investigation of perto肿aJlce breakwaterdouble floating usedaSawaVe conVe毗raIld t11e energy analyze structure’s hydrodynamiccharacteristics. Inthis 2-D numericalwaVenume paper,a baSedonfiIliteelement methodalldVOF tor Viscousflowis strategylncompressible established.The iIlfluencesofmesizeand the coeillclenttothe daIllpmg wave仃aIlsmissionaJldwaVe extraction are ene玛y emciency n啪erical dlscussed·F。unhe册ore,tllesimulationmodelwaSbuiltto thewaVe s伽y height and waVe tothe periodinnuenceofthe motion. buoy’s Words:waVe Key energy absorbing numericalwave deVice;fIoatingbreakwaterj fIume; J waVe physjca transmission modeItestj wave coe仟-cientj extraction ene喀y e伟ciency —II— 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 目 录 摘 要…………………………………………………………………………………….I Abstract………………………………………………………………………………………………………………II 1 绪论……………………………………………………………………………………………………………….1 1.1选题背景及研究意义…………………………………………………………1 1.2振荡浮子式波浪能装置国内外研究现状……………………………………3 1.2.1国外研究现状……………………………………………………………5 1.2.2国内研究现状………………………………………………………….11 1.2.3波浪能利用技术的发展趋势………………………………………….13 1.3浮式防波堤研究现状…………………………………………………………14 5 1.4本文研究内容…………………………………………………………………1 2振荡浮子式波浪能发电装置…………………………………………………………17 7 2.1波浪发电原理…………………………………………………………………l 8 2.2波浪能发电装置的组成…………………………….…………………………1 8 2.3波浪能垂荡数学运动模型……………………………………………………1 2.3.1基本假设……………………………………………………………….18 2.3.2运动方程的建立……………………………………………………….19 2.4本章小结………………………………………………………………………20 3单个浮子物理模型布置及试验结果分析……………………………………………2l l 3.1物理模型布置…………………………………………………………………2 3.2试验波浪工况…………………………………………………………………22 3.3试验过程………………………………………………………………………23 3.4物理模型试验结果与分析……………………………………………………24 3.4.1浮子垂荡位移………………………………………………………….24 3.4.2浮子垂荡速度………………………………………………………….27 3.4.3波浪透射系数………………………………………………………….29 3.4.4波浪能提取效率……………………………………………………….32 3.5本章小结………………………………………………………………………34 4数值模型介绍及数值结果与分析……………………………………………………35 4.1数值模型基本原理…………………………………………………………….35 4.1.1 VOF方法及基本原理………………………………………………….35 4.1.2三步有限元原理……………………………………..:………………..36 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 4.2数值模型布置…………………………………………………………………38 4.2.1单个浮子的模型布置和网格划分…………………………………….39 4.2.2双浮子数值模型布置和网格划分…………………………………….40 4.3单个浮子数值计算结果及分析………………………………………………41 4.3.1单个浮子的垂荡位移………………………………………………….41 4.3.2单个浮子的垂荡速度………………………………………………….46 4.3.3单个浮子的波浪透射系数…………………………………………….52 4.3.4单个浮子的波浪能提取效率………………………………………….54 4.4双浮子数值结果及其分析……………………………………………………55 4.4.1双浮子的垂荡位移…………………………………………………….55 4.4.2双浮子的垂荡速度…………………………………………………….58 4.4.3双浮子的透射系数…………………………………………………….63 4.4.4双浮子的波浪能提取系数…………………………………………….64 4.5本章小结………………………………………………………………………66 结 论……………………………………………………………………………………………………………67 参考文献…………………………………………………………………………………68 攻读硕士学位期间发表学术论文情况…………………………………………………71 致 谢……………………………………………………………………………………………………………72 大连理工大学学位论文版权使用授权书………………………………………………73 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 能源是人类赖以生存和发展的基础,同时也是各国经济向前发展和社会进步的根本 动力。自从工业革命以来,以煤、石油、天然气为主的化石燃料为人类文明的进步做出 了杰出的贡献,但化石燃料储量有限,且日益枯竭,同时大量使用还带来了严重的环境 问题。近来年,我国的环境问题日益严重,全国各地每年的雾霾天数正在迅速上升,北 京、天津等地更是少有蓝天,这都是传统能源一化石燃料大量使用带来的必然结果。此 外,化石燃料燃烧所产生的二氧化碳是导致全球变暖的罪魁恶首,全球变暖是人类现在 及今后将要面对的一大难题。因此,如何解决目前的困境,各国学者都在不断的探索和 研究。占地球表面积70%、蕴藏无尽宝贵资源的海洋无疑成为了各国科学家探索和研究 的对象。 浩瀚的海洋中不仅蕴藏着丰富的渔业、矿产资源,同时也是一个巨大的储能库。其 通过各种过程吸收、存储和传递能量,这些能量再通过各种不同的形式表现出来,比如 波浪能、潮汐能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等形式【1】o据初步估算【2】,全球海 洋能总量约为800亿千瓦,其中可利用的能量达到180亿千瓦。包括波浪能约为70亿 千瓦,潮汐能约为30亿千瓦,潮流能约为lO亿千瓦,海水盐差能和海水温差能约为50 亿千瓦。在众多的海洋能种类中,波浪能储量最为丰富,分布最广,具有较大的优势和 良好的发展前景。与海上风能相比,波浪能的能流密度更大,品味最高,能过通过较小 的波能装置就能获得较多的能量;与潮汐能相比,不需要建立大型水坝进行蓄水,不占 用陆地资源,对海洋环境影响小;而潮流能主要分布在一些水道、海峡和港湾处,地域 限制较大,此外潮流每天两次改变其大小和方向,一天发电的时间限,而波浪能无处不 在,可以持续发电;而温差能和盐差能发电技术尚且不成熟,目前都停留在理论研究方 面,离大规模开发和应用为时尚早,波浪能发电技术研究最早,并且已有了很大的进步 【确】,与波浪能技术相关的专利已达1000多项【7】,目前正逐步由示范项目向商业化过度。 因此,大力开发海洋波浪能对解决我国目前日益严峻的环境污染问题和能源危机具有重 要的现实意义。图1.1为美国能源部制定的波浪能在全球海域的分布图,单位为Kw/fm。 从图可以看出,波浪能丰富的地区主要集中在高纬度地区,其中,英国、挪威和加拿大 等国家的周边海域的波浪能密度最大。 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 图1.1波浪能全球海域分布图 Thedistributionof waVe Fig.1.1 global energy 我过拥有1.8万公里的漫长海岸线 万。随着我过经济的发展和对海岛的进一步开发,岛上电力短缺现象越发严重。依靠内 陆给海岛输送电力成本太高,也不是长远发展之计。最好的办法是依靠岛屿本身的资源 和优势,实现自给自足,摆脱靠大陆输送电力的依赖。但是我国大部分海岛岛上资源匮 乏,如果依靠火力,需要大陆运送大量的煤,这既会造成电力成本上升,又会污染海岛 环境,得不偿失;如果依靠水利发电,大部分岛屿本身就淡水资源匮乏,需要依靠外界 补给,不现实。好在我国大部分海岛周边海域的波浪能资源较为丰富,适合进行波浪能 的发电。根据《中国沿海农村海洋能源资源区划调查》、 《全国海洋功能区划概要》【8】 等统计,我国沿海各省波浪能源资源分布情况如表1.1所示。就全国来讲,理论可供开 发的波浪能达1.2万兆瓦。其中,波浪能最为丰富的地区当属台湾,台湾地理位置特殊, 西靠东海,东毗邻太平洋,年平均波高在1.4~1.7米,波浪能量密度也相对较大,大概 在4.02~6.36KW/m【9】,理论可供开发的功率达到0.4万兆瓦,占全国比例的三分之一。 其他省份的波能密度相对要低很多【5】,全国平均波能密度约为2.7KW/m。 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 表1.1 我国各省区波浪能资源分布 Tab.1.1WaVe in inChina ene嚼7eVe巧pr0Vince 省 市 理论平均功率(MW) 占全国比例(%) 台湾省 429l 33.4 浙江省 2053 16.O 广东省 1739 13.5 福建省 1659 12.9 山东省 1609 12.5 海南省 562 4.4 江苏省 29l 2.3 辽宁省 255 2.0 上海市 164 1.3 辽宁省 143 1.1 广西省 8l 0.6 全国 12852 100 为加快海洋能资源的开发和利用,推动海洋能技术的创新,我国于2010年启动海 洋能可再生能源专项基金项目。2013年,国务院批准了《国家海洋事业发展“十二五” 规划》,规划明确提出要加快海洋可再生能源的开发和利用,依靠国家海洋可再生能源 专项资金加强海洋能开发应用,尽快开展百千瓦级新型波浪能示范项目,并进一步推动 海洋波浪能的商业开发。为了响应国家对可再生能源发展战略要求,本课题提出了一种 具有波浪能转换功能的浮式防波堤结构。对这种具有额外功能的浮式防波堤进行数值仿 真研究,分析结构尺寸和阻尼系数对浮式防波堤性能和波浪能提取效率的影响。同时本 文还建立了物理模型试验,探究波浪参数,主要是波高和周期对多功能浮式防波堤性能 的影响。本课题研究会拓展人们对波浪能装置的认识,寻找低成本、多功能波浪能装置 具有重要的参考价值。 1.2振荡浮子式波浪能装置国内外研究现状 人类对波浪能的利用较早,在海洋能转换装置专利技术方面,最早的的记录是在 能源重要性,加快了对海洋可再生能源的开发,主要是波浪能,提出并设计出各种不同 的波浪能装置;80年代后,主要是对不同类型的波浪能装置进行试验研究,该阶段主要 停留在理论和试验模型阶段;到90年代,对波浪能装置的研究主要由试验研究走向示 范项目过渡,波浪能利用效率进一步提高,波浪能发电技术逐步向实用化和商业化方向 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 发展;进入21世纪后,波浪能利用逐渐向多元化和综合利用等方向发展。对到目前为 止,与波浪能相关的专利己达1000多项。波浪能装置的分类有很多种,根据振荡浮子 式波浪能装置的安装位置不同,大体可以分为三类,分别为岸基装置、近岸装置以及离 岸装置。 岸基装置主要以海岸为依托,或者直接安装在海岸上的波浪能发电装置。这类装置 的主要优点是:靠近大陆,便于安装和维修,不需要通过海底电缆接入电网,大大节省 了成本;此外,装置不容易被波浪破坏和海水腐蚀,装置的使用年限也可得到提高。但 该类装置也有一个很大的缺陷,波浪在向海岸传播的过程中受到地形的影响,波浪会发 生折射、反射和辐射j其能量在传播的过程中逐渐减少。因此,岸基装置从波浪中提取 的能量就大大减少,正是由于这个原因,该类波浪能装置的装机容量一般都比较小。近 年来一些研究主要通过选择特殊的地域水道来弥补岸基装置的缺陷【15】。 近岸装置是指那些安装在浅水区域(水深小于波长的1/4区域为浅水区【16】)的波浪 能发电装置。该类装置通常采用坐底式安装,与岸基装置类似,由于该类波浪能装置位 于浅水区,该区域内波浪所具有的能量在传播的过程中减少,限制了装置提取波浪能的 潜力,该类装置也没有得到大规模的发展。 离岸装置指位于深水区的波浪能发电装置。由于在深水区【171(水深超过1/3波长), 单位面积内波浪能所具有的能量较高,该类波浪能装置的最大优点是能够从波浪中提取 更多的能量【18】,单个装置的装机容量也就更大,这类装置得到了较好的发展,目前国内 外的研究主要集中在离岸波浪能装置这块。但是在远离海岸的深水区安装和维护相关设 备比较困难,成本较高。虽然如此,但经过相关学者的论证,在能量密度高的深水区内 建造波浪能发电装置具有更好的经济性【19】。 振荡浮子式波浪能发电装置是一种点吸式、近岸或者离岸型发电装置。由于振荡浮 子式波浪能发电装置是在振荡水柱式波浪能发电装置基础上发展起来的,因此,具有振 荡水柱波能发电装置的一些优点。其优势主要如下:提取波浪能的浮子与波浪直接相互 接触,从波浪中获得能量,减少了一些中间环节,效率更高;浮子尺寸较小,基本上不 对波浪场产生影响,因此,可以采用阵列的形式布置,便于规模化;建造难度和成本都 比较低,维护比较容易,现场安装也不需要大型设备。基于此,国内外的许多学者才对 振荡浮子式波浪能装置加以研究和开发,发明了各种不同类型的振荡浮子式波能发电装 置。综合现有的波浪能装置,装置大体都由两部分组成:动浮子和静浮筒。动浮子主要 由一个或者多个浮子组成,主要功能是提取波浪能:静浮筒一般由一个浮体或者底座结 4一 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 构支撑整个系统,该部分结构的功能主要是将浮子提取的能量转化为机械能或者液压 能。振荡浮子式波浪能发电装置的示意图如图1.2所示。 The theosc订lationnoater Fig.1.2 diagr锄of 1.2.1国外研究现状 国外对波浪能的研究开发早于国内,特别是1973年发生的石油危机,更一步促进 了欧美等发达国家对海洋能开发和利用。目前,振荡浮子式波浪能发电装置研究较多, 技术最为全面的国家大多集中欧洲、美国以及日本等发达国家。爱丁堡大学Stephen 到海洋能的开发应用技术和开发前景【20】。随后,挪威和英国政府先后设立海洋能开发和 利用专项基金,资助对海洋能研究和开发。1976年,英国在伦敦召开了第一次波浪能会 议[2l】,此后,又在1979年召开了两次具有代表意义的海洋能国际会议。自此以后的20 年,欧美等发达国家加大了对海洋能利用的投入,各国陆续开发了一些新型的波浪能发 电装置并进行了试验,波浪能技术得到了初步的应用。21世纪后,西欧等国家多波浪能 装置的开发和研究已向多元化方向发展。以下主要总结了国外在升沉式波浪能装置方面 的开发和应用。 日本属于岛国,资源匮乏,又是当今世界第三大经济体,对能源的需要相当大。而 且,国内对能源的需求90%以上需要进口,天然的劣势促使日本人更早的投入到对海洋 能等可再生能源的研究和开发中,在波浪能发电技术方面具有较大的优势。上世纪70 年代末,日本研发了G.IT装置[22】,G.IT装置是一种升沉式波浪能发电装置。该装置的 研发是日本人在波浪能发电技术领域的早期探索。装置创新之处是采用了带有充气蓄能 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 器的液压油缸,该液压油缸作用是将系统提取的能量转换为电能。不过由于油的泄露会 对海洋造成污染,在之后研发的装置中逐渐用高压水来代替油。该装置于1980年在日 本东京湾附近海域进行了测试,测试结果较为满意,能量提取效率达到了预定的目标。 在同一时期,挪威也研发了浮标式波浪能发电装置【23】,如下图1.3所示。该装置的能量 提取设备是由一个球形浮子组成,浮子的中心穿过立柱,在波浪作用下沿着立柱做相对 运动。立柱也不是完全固定的,其底端通过万向球接头与海底的重力锚链相连。浮子上 安装有空气轮机,这也是本装置的优点,通过此设备可以实现对封闭相位的控制。该装 置于1983年在特隆赫姆海峡进行了海试,球形浮子直径为2米。由于空气轮机现场安 装困难,海试模型中并未装上空气轮机,相应的设计也做了调整,改用孔口代替。因此 实际海试模型与最初的设计有点差别,但是海试结果却令人满意。 图1.3挪威球形垂荡浮子试验 in The of oscillatiOnfloater Fig.1.3 experimentspherical NOrway 另外一种连接方式是通过缆绳将波浪提取装置和海底规定装置连接起来,其中缆绳 采用具有较好刚度的弹簧或者具有弹簧相似功能的器材。浮在海面上的波浪能提取装置 与海底固定装置在波浪作用下发生相对运动,从而驱动液压马达或者直线电机发电。该 种类型波浪发电装置的优点是浮子与海底固定装置相对运动的幅度较大,效率较高。缺 点是海平面受太阳和月球的影响会出现周期性的涨落现象,浮子与海底固定装置的垂直 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 距离会发生变化,从而造成连接浮子与固定装置之间的缆绳的张力会发生变化,影响浮 子的运动。 20世纪90年代丹麦研发的升沉式波浪能发电装置【24】,该装置的动力输出设备固定 于海底,设备内的活塞泵可以提供高压水给液压马达实现能量的转换,这是首次采用高 压水代替高压油。随后,瑞典的乌普萨拉大学研发了L9波浪能发电装置【251,结构示意 图和实物图如下图1.4所示。在L9装置中,漂浮在海面上的浮子为扁柱形浮体,通过 缆绳跟固定在海底的动力输出系统连接,该装置中动力输出设备不再采用液压系统,而 是直线电机。 j//r {。/即r }‘/。l『fJo 正露 (b)L9实物图 图1.4 L9垂荡浮子装置 ThedeViceofheaVefloaterL9 Fig.1.4 美国俄勒冈州立大学开发一种类似的升沉式波浪能发电装置【26】,命名为L.10,装置 采用动力输出设备与瑞典的L9升沉式波浪能装置相同,都为直线电机,装置示意图如 下图1.5所示。其系统组成主要分为两部分:第一部分为淹没在水下的圆柱体;另一部 分为浮在海面上的环形碟状浮子。圆柱体依靠缆绳实现与海底刚性连接,在圆柱体的下 端安装有线性轴承装置,该装置的作用保证浮子只做升沉运动,其他方向的运动被严格 限制。在波浪作用下,海面上的浮子与水下圆柱体之间发生相对升沉运动。该装置的原 海里进行了测试,收集了装置的相关参数。 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 图1.5 L.10装置示意图 The ofdeViceL-10 Fig.1.5 diagram 荷兰Te锄work BV公司研发了阿基米德波浪能发电装置(AWS)【27】, TecllIlology 该装置与其他升沉式波浪能发电装置类似,主要由两部分构成:一部分为提取波浪能的 上部结构,另一部分为固定在海底的下部结构。但该装置的创新点在于系统工作时,这 两部分结构均淹没于水下,这提高了装置在复杂海况条件下的生存能力。装置示意图如 1.6所示,其中(a)为装置原理图,(b)为实物图。当波浪波峰向波谷变化时,浮子向下运 动;当波浪从波谷向波峰变化时,浮子向上运动,浮子的运动带动直线电机发电。但该 装置的研发可谓一波三折,虽然历经了多年的理论研究,还进行了多次模型试验,但还 是没有一步成功。由于装置工作时两部分都位于水面以下,要现场进行水下安装,水下 安装困难。第一次和第二次海试都以失败告终,第三次才取得成功,通过了海试,装机 容量为2MW。 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 (a)AWS原理图 (b)AwS实物图 图1.6AWS波浪能发电装置 AWSwaVe deVice Fig.1.6 energy 由于受到太阳和月球影响,自由海面会发生周期性的涨落现象,这会引起海面与海 底的垂直距离也会发生变化,进而造成连接浮子和底部装置的缆绳的受力过大或者过 小,这两种极端情况都会影响单个升沉式浮子的能量提取效率。而双体式系统能够很好 的解决潮位变化给单浮子升沉式波浪能装置带来的问题。双体式系统顾名思义,由两个 运动的浮体结构组成:其中一个浮体具有较低的共振频率,在波浪作用下垂荡运动幅度 较小;另一个浮体与海浪的频率接近,与波浪产生共振,垂荡运动幅度较大,能够提取 更多的波浪能量。而能量的输出主要依靠两个浮体在波浪作用下产生的相对运动来实 现。该类系统中最典型当属IPS波浪能发电装置【2l】,如图1.7所示。IPS波浪能发电装 置由一个浮体和一个完全淹没在水中的立管构成,其中立管两端都是开口,浮体与立管 刚性连接。立管内部含有活塞,活塞在浮体的作用下相对于立管上下运动,进而驱动电 机发电,实现能量的转换。Sven A.Noren发明了第一个IPS波浪能发电装置,随后在瑞 典制造了出来,并进行了试验。在IPS波浪能发电装置的研发和制造方面,瑞典走在世 界的前列。到目前为止,已有的IPS装置有接近一半是在瑞典进行了制造和海试的【28】。 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 图1.7 IPS装置示意图 The ofthedeViceIPS Fig.1.7 diagram 在对双浮体研发中,其中爱尔兰研发了WaVebob双浮体升沉装置【29】,装置原理和 实物图如下图所示。从原理图看出,装置结构相对简单,主要由上下两个轴对称的浮体 组成。上部的浮体在自由海面上,下部的浮体浸没在水面以下,两者刚性连接。两个同 轴浮体在波浪作用下产生相对垂荡的运动,进而带动液压设备做功,输出功率。 叁誊濡…螋翠 (a)wavebob原理图 (b)WaVebob实物图 图1.8 WaVebob装置示意图 The ofdeViceWaVeboo Fig.1.8 diagram lO 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 Power 美国Ocean 为浮筒。此装置由一个圆柱和一个片形浮体组成,圆柱体底部装有水平阻尼板,目的是 增加附近水体的惯性力。该装置于2008年在西班牙进行了试验,装机容量为40KW, 图1.9为波浪浮筒海试现场。 图1.9波能浮简装置海试现场 Theseatrial ofwaVe deVice Fig.1.9 place buoy 1.2。2国内研究现状 和西欧等国家相比,我国对波浪能发电装置的研究相对较晚。1975年,我国成功研 发了一个波浪能浮标发电装置。该装置功率较小,设计功率只有1Kw,并进行了海试, 结果令人满意。该浮标的设计填补了国内在波浪能开发领域的空白。改革开放后,政府 逐渐加大对海洋能可再生能源投入力度,特别是进入21世纪,在政策和财政上都给予 极大的支持。2010年,国家财政部和海洋局联合,设立了首个海洋可再生能源专项资金。 在该资金的支持下,国内有实力的高等院校和企业相继对海洋能可再生能源进行了研究 和开发。到目前为止,我国海洋能利用技术的科研单位将近两百个,并自主设计了多个 不同类型的波浪能发电装置。其中国家海洋技术中心研发的重力摆,装机容量为30KW, 此后又对100KW浮力摆波能装置进行了试验;中船重工研发了浮筏式液压波能发电装 置,装机容量为150KW,并开展了示范试验。 国首个岸式振荡浮子波浪能装置,装置实物图和原理图如下图1.10所示。装机容量达到 了40KW,能量转换效率达到了40%,功率输出平稳。同时,该装置还解决了一个技术 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 难题.往复机械能向电能稳定转换技术。不过该装置的建造陈本高和运行成本都比较高, 造成输出的电力价格远远大于火力发电和水力发电的价格。在该装置中,能量输出设备 采用液压系统。装置本身消耗的能量较少,整个装置在运行过程中每小时耗电量仅为 O.4Kw。该装置是针对我国低波高、小周期的波况条件设计的,在自身能量消耗、电力 稳定性输出和能量转换效率等方面达到了较高的水平,同时该装置的研究为我国在波浪 开发方面积累了宝贵的经验。 _,,笾警钞 ≥,鹳垂澄谬渺’2 甄一簟p!照:≥ ’l甲I斟 ;下,1 (a)装置实物图 (b)装置工作原理图 图1.1040KW岸式振荡浮子式波浪能发电装置 floaterwaVe deViceto of40KW 0 Theosc订lation energy power Fig.1.1 中国国家海洋技术中心对波浪能装置的研究较多,研发了一种岸式振荡浮子式波能 发电装置【32】,装置位于山东省青岛市附近的海域。装置示意图如图1.11所示,其中(a) 为工作原理图,(b)为现场海试图。该波浪能装置依靠波浪能收集箱提取波浪能,收集箱 为无盖长方体,靠近海岸的一侧为开口,另一端封闭。装置能量转换系统采用的液压系 统,‘波浪从箱体的一端开口进入,推动一个可摇摆的副翼来回摆动,进而驱动液压马达 工作,实现能量的转换。 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 (a) 摇摆式振荡浮子工作原理图 (b)摇摆式振荡浮子海试图 图1.1l摇摆式振荡浮子波浪能装置 l The oscillationnoaterwaVe deVice Fig.1.1 swing energy 总的来说,我国的波浪能应用技术起步较晚,但发展迅速。目前,我国小型波浪发 电装置方面技术已经较为成熟。从全球视野来看,在波浪能装置装机容量方面,欧美等 业的发展规划来看,到2020年,我国发展的目标也还只有1000KW。从这个角度来说, 我国与发达国家的差距还较大。 1.2.3波浪能利用技术的发展趋势 (1)由岸基式向离岸式、由试验推广向规模化和商业化发展。就目前来说,波浪 能发电装置由岸式向漂浮式发展,离岸式波能装置受到亲睐,并由单个装置向多个装置 组合发电。 (2)装机容量由小型向大型发展。21世纪之前,大部分波浪能发电装置装机容量 在千瓦级别以下,随着技术的发展,装机容量正在逐渐增大,目前国外装机容量已到兆 瓦级别。此外,波浪能装置逐步摆脱单一功能,向多功能装置发展,如本文研究的多功 能浮式防波堤,具有双重功能,既用来当做浮式防波堤进行消浪,又用来充作波浪能装 置提取波浪能。 (3)由小规模向大规模并网发电方向发展。21世纪以前,大部分试验研究都以示 范研究为主,且都是小规模独立发电,并未并入电网。21世纪之后,规模增大,研究主 要集中在大规模并网发电技术方面。 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 1.3浮式防波堤研究现状 国内外对浮式防波堤的研究都比较多,开发了各种不同类型的防波堤结构。分类形 式多种多样,按其锚泊方式分类,主要分为垂直导桩锚泊、锚链锚泊和敦式锚碇。不同 的锚泊方式对应着浮体不同的运动响应。敦式锚碇和垂直导桩锚泊的浮式防波堤只做单 自由度的垂荡运动,而锚链锚泊的浮式防波堤在6个自由度方向都会运动,包括垂荡 防波堤方向如图1.12所示。 Sway zkq20151027 图1.12浮式防波堤6个自由度方向的运动 motionof breakwater 2 Sixf-reedom floating Fig.1.1 本文主要是对具有波浪能提取功能的浮式防波堤性能进行研究,结合升沉式浮式波 浪能转换装置的运动特点,以下主要对垂直导桩浮式防波堤的研究进行总结。 Io锄a 导桩不是刚性的,具有一定得柔性,在工作时会有一定得变形。数值模型以线性波衍射 理论为基础,假设浮体在规则波作用下的运动幅度不大。数值计算结果表明,防波堤的 消浪效果对波浪的入射角度比较敏感。当入射角度为45度,此时,垂直导桩浮式防波 堤对低频率的波浪具有很好的消浪效果,而对中高频波浪的阻挡作用较差。当入射角变 为90度式时,此时的浮式防波堤对中高频的波浪具有较好的作用,而对低频波浪的作 用不是很明显。此外,研究发现,浮堤结构的刚度对浮式防波堤的运动具有一定得影响, 了数值模型,计算了规则波作用下垂直导桩浮式防波堤在垂直方向上的运动幅值以及波 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 MaIluel【35】对垂直导桩浮式防波堤进行了研究。采用物理模型和数值 浪透射系数。Brenda 模型相结合的方法,其中数值模型是在Isaacson数学模型基础上,通过线性势流理论计 算波浪作用在浮式防波堤上的荷载和运动响应。而物理模型主要研究四种不同刚桩锚泊 利用有限差分法模拟了固定防波堤和单自由度垂荡运动的浮式防波堤水动力特性,并将 数值结果与T0lba【37】的试验结果进行对比。对比的结果表明,数值结果模型能过较好的 垂直导桩浮箱式防波堤与二维非线性波浪的水动力问题进行了研究。该文利用了两个数 值模型,一个假设流体是无旋的线性模型,利用线性边界条件求解自由表面;第二个模 型考虑波浪的非线性,此外还考虑了流体的粘性耗散性,利用任意拉格朗日.欧拉法进 行网格划分。并对两个模型的结果进行了对比,对比发现,第二个模型由于考虑了流体 的粘性,其计算出的浮式防波堤的透射系数要比第一个模型计算的结果要小。姚国权【39】 等主要采用物理模型试验方法,对不同类型浮式防波堤的水动力特性进行了研究。同时 对国内外不同类型的浮式防波堤性能进行了总结,并做了相应的改进,然后对改进后的 浮式防波堤进行试验研究。试验研究发现,在不同类型的浮式防波堤结构中,立柱阻挡 型浮式防波堤的消浪作用更好。 zkq20151027 1.4本文研究内容 通过比较目前几种常见的升沉式波浪能发电装的优劣以及波浪能利用技术的发展 趋势,本文提出了一种多功能的浮子波浪能发电装置。该浮子既能被用来当作浮式防波 堤,进行消浪;又被用来充当波浪能提取装置,从波浪中提取波浪能。本文主要对这种 多功能的浮子性能进行研究。用数值计算方法研究阻尼系数和浮子尺寸对浮子透射系数 和能量提取效率的影响,同时建立物理模型试验,研究了波高和周期对浮子性能的影响。 论文共分为四章。 (1)第一章主要介绍了开发海洋能等可再生能源的必要性和紧迫性,列举海洋波 浪能在众多可再生能源中的优势,并对国内外波浪能利用的现状、升沉式波浪能发电装 置研发现状以及垂直导桩浮式防波堤的研究现状进行了归纳,同时提出了本文的研究任 务。 (2)第二章主要介绍了振荡浮子式波浪能发电装置的组成,阐述了装置的工作原 理,建立了圆柱形浮子的运动模型,指出了模型需要优化的参数。 (3)第三章主要介绍了单个圆柱形浮子物理模型试验。简要说明了的物理模型的 布置和试验过程,重点分析了波高和周期等波浪参数对浮子运动的影响,给出浮子垂荡 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 位移幅值与波高的变化关系,最后分析了波高、周期和波长等参数对圆柱形浮子的波浪 透射系数和波浪能提取效率的影响,并给出了相关结论。 (4)第四章主要介绍了数值模型。给出了VOF的基本原理以及推导了三步有限元 法,同时简单介绍了数值模型浮子的布置以及浮子周围网格划分的特点。重点分析了浮 子直径和阻尼系数对单个圆柱形浮子运动的影响,同时详细分析了尺寸和阻尼系数对浮 子波浪透射系数和波浪能提取效率的影响,最后进一步对双圆柱形浮子进行了研究。 zkq20151027 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 2振荡浮子式波浪能发电装置 本章主要介绍振荡浮子波浪能发电装的原理以及组成部分,根据装置的特点对模型 做了一些基本假设,并建立相应的简化模型,最后给出浮子垂荡运动数学模型。 2.1波浪发电原理 波浪能发电就是通过波浪能装置将波浪所具有的能量通过一系列转换,最终变为人 类所能利用的产品.电能。波浪发电系统的能量转换过程是指将自然界波浪能通过某些 转换方式,转换为能过利用的动力。如图2.1所示,波浪能转换一半分为三个部分:即 一级转化(波浪能.机械能),中间转换(机械能.液压能.机械能)以及最终转换(机械能 .电能)。 zkq20151027 2.1波浪能转换系统 WaVe conVerSion Fig.2.1 energy syStem 其中,第一级转换主要是通过浮子从波浪中提取能量,将波浪能转换为浮子的机械 能。因此,在这一个过程中,波浪能发电装置需要一对实体.受能体和定体。受能体与 波浪直接作用,并从波浪中提取能量。受体相对定体做相对运动,运动形式可以多种多 样,可以是单自由度,也可以是多自由度的运动。本文所研究的是单自由度的垂荡运动。 很显然,在第一级能量转换过程中,浮子从波浪中提取能量的多少、效率对整个波浪能 装置的发电量、效率非常重要,直接决定装置性能的好坏。因此,许多学者对浮子的水 动力性能进行了研究,优化浮子的各项参数,使浮子能过从波浪中提取更多的能量。本 文也主要针对波浪能装置第一级转换进行研究,主要研究浮子的水动力特性。通过物理 模型实验分析波浪参数对浮子运动的影响,同时利用数值计算方法探究浮子尺寸、阻尼 系数与浮子波浪透射系数和波浪能提取效率的关系。 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 中间转换只是作为能量转换的桥梁和媒介,主要作用是连接第一级能量转换和最终 能量转换。在第一级能量转换中,浮子提取的能量还不能直接利用,也没有达到最终能 量转换的动力机械要求,因此需要一个中间转换。在一些波浪能装置中,中间转换还有 传输能量和储存能量的作用。 最后转换就是将机械能转换为电能,供用户使用。 2.2波浪能发电装置的组成 本文所研究的是具有波浪能转换功能的浮式防波堤结构,该结构在垂直约束装置的 作用下只能做一维的垂荡运动。结构具有双重功能,即既具有消浪作用、又具有波浪能 提取功能。该结构主要由三部分组成:波浪能提取装置、垂直导桩、能量输出设备。 本文研究的波浪能提取装置为圆柱形浮子。圆柱形浮子在波浪作用下,既能从波浪 中提取能量,又能反射一部分波浪能,不管是提取还是反射,都能削减波高,达到消浪 的作用。理想的情况是希望圆柱形浮子尽可能的从波浪中提取更多的能量,从而使透射 过浮子的能量越少,消浪效果就越好。 垂直导桩的主要作用是约束浮子,使浮子在波浪作用下只能做一维的垂荡运动。浮 子在上下运动时,竖直方向上有浮子与垂直导桩之间产生的摩擦力。为了简化计算,在 zkq20151027 物理模型实验中忽略摩擦力对浮子运动的影响,即不考虑垂直倒桩对浮子运动的影响。 能量输出设备可以通过多种方式将浮子提取的能量转换为电能。虽然方式多种多 样,但每种方式的传递路径一般都遵循波浪能.机械能.电能的传输模式。波浪能到机械 能的转换过程涉及到浮子的水动力性能,而从机械能转换到电能则根据需要可以选择不 同的转换设备。目前主要采用轮机、液压系统和直线电机作为输出设备,本文采用液压 系统作为能量转换设备。该系统与浮子相连,当浮子在波浪作用下运动时会驱动转换设 备工作,在这个过程中浮子会受到转换设备施加的荷载,把该类荷载成为能量输出负载。 2.3波浪能垂荡数学运动模型 2.3.1基本假设 本文研究的对象是圆柱形浮子,该浮子既被用来当做浮式防波堤,又被充作波浪能 提取装置,该装置通过液压系统将波浪能转换为电能产品,液压系统通过连杆与浮子相 连。圆柱形浮子在波浪作用下通过垂直导轨做一维的垂荡运动,再通过连杆带动液压活 塞运动,进而驱动整个液压发电系统将机械能转换为电能。建立浮子的运动方程之前先 做如下基本假设。 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 (1)假设流体无旋不可压缩,圆柱形浮子在线性波浪作用下垂荡运动的幅度较小; (2)假设能量转换系统是线性的,即将液压系统作用在浮子上的荷载看成是一个 线性阻尼器,其荷载与浮子运动速度成正比; (3)忽略作用在浮子上的粘性力,与波浪激励力和能量输出负载相比,其值很小, 对浮子的运动影响可以不考虑…。 2.3.2运动方程的建立 考虑到圆柱形浮子只做单自由度的垂荡运动,因此,只对浮子在竖直方向上的受力 进行分析。在线性波浪作用下,圆柱形浮子在波浪力和约束力下做垂荡运动。在研究波 迫振动系统,强迫力来自于波浪力。浮子除了受到重力和波浪力外,还有能量输出系统 施加给浮子的荷载,即液压系统作用在浮子上的力。国内学者吴必军等【43】人根据该模型 利用数值计算方法优化了吃水深度、阻尼系数等参数。本文利用该简化模型通过数值模 型对阻尼系数和浮子尺寸进行优化,此外建立相应的物理模型试验,探究波浪参数,主 要是波高和周期对浮子消浪效果和波浪能提取效率的影响。设阻尼系数为G帅,阻尼 力与浮子的垂荡速度线性相关,通过该阻尼力将装置提取的能量转换为电能。浮子简化 zkq20151027 如图3.2所示。 图3.2简化的波浪能装置模型示意图 modelof fbrcedVibrationofthe、VaVe deVices Fig.3.2Simplifiedd姗ping energy 根据牛顿第二定律,浮子的运动方程 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 磁+U=G+R (2.1) 式中,朋为浮子的质量,三和艺分别表示浮子竖直方向的速度和加速度,如叩为阻 尼系数,G为浮子所受的重力,R为浮子所受的波浪力,包括静水中浮子所受的浮力。 公式(3.1)中的阻力代表能量液压系统作用在圆柱形浮子上的荷载。 转换系统的能量输出公式为 只。例(f)=I‰.剖=f‰撕I (2.2) 一个周期内入射波的功率表达式为 ‰=去硝2r (3.3) j二 则从tl到t2这段时间内浮子的平均能量提取效率是 ”:暨墨型!盟竺丝二生 (3.4) 。 匕。 2.4本章小结 本章主要介绍了振荡浮子式波浪发电原理以及其组成部分,主要包括能量转换系统 和能量转换过程。根据假设建立了浮子的垂荡运动模型,给出了浮子在波浪作用下的运 动公式,同时给出了浮子的能量提取效率公式。 20 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 3单个浮子物理模型布置及试验结果分析 本章主要介绍物理模型试验,通过物理模型试验研究不同工况下圆柱形浮子的运动 特征。由于在物理模型过程中,方便对周期和波高进行调整,因此物理模型主要是分析 周期和波高对浮子运动的影响,探究周期和波高对圆柱形浮子波浪透射系数和能量提取 效率的影响规律。而浮子尺寸和阻尼系数这两个参数的变化在数值模型中更易于调整, 因此,尺寸和阻尼系数对浮子运动的影响将在第四章数值模型中进行研究。 3.1物理模型布置 本文实验模型在大连理工大学港口海岸及近海工程国家重点实验室水槽进行。水槽 长60m,宽4m,高2.5m。一端配有液压伺服不规则造波系统,另一端安装波浪消浪装 置,尽量消除波浪反射的影响,同时配有微机控制及数据采集系统。采用重力相似准则 设计模型,试验模型与原型满足几何相似,模型比尺为1:15。圆柱形浮子模型采用有机 玻璃制造,直径为’0.2m,长1.Om。实际模型与原型尺寸如表3.1所示。 表3.1 圆柱形浮子主要参数 Tab.3.1the ofcircular pmmeter cylindricalbuoy 主要参数 实体 模型 长(m)‘ 15.0 1.0 直径(m) 3.O 0.2 重量(kg) 5.27 需要配重(kg) 12.0 圆柱形浮子水平放置,其中心轴线与波浪的传播的方向垂直,安放在水槽的中间。 浮子上部与导轨连接,导轨作用是限制浮子的自由运动,通过导轨,浮子只能做垂荡运 动。圆柱形浮子上装有位移传感器,用于测量浮筒在波浪作用下的垂荡位移。浮子前后 各安放一组浪高仪,每组两个,浪高仪之间的距离为O.25m,前后距离浮子最近的浪高 仪距离浮子中心轴线m。水槽一端为造波机,另一端为消浪设备。物理模型示意图 和实物图分别如图3.1和3.2所示。 万方数据 兼具波浪能提取功能的浮式防波堤性能研究 图3.1 圆柱形浮子物理模型示意图 The model ofthecircular Fig.3.1 Physicallayou『t cylindricalbuoy 图3.2 圆柱形浮子布置实物图 The ofthecircular layout cylindricalbuoy Fig.3.2 physicalpicture 3.2试验波浪工况 试验工况模拟舟山群岛附近海域波况【删,舟山群岛隶属于浙江省舟山市,位于东海。 应实际水深15m,与模拟海域的平均水深接近。圆柱形浮子的吃水深度保持不变,为浮 波浪周期为1.7s。试验模拟波况和实际波况如下: 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 表3一物理模型波浪要素 Tab.3.2WaVe ofthe model —~\ 周期 parametersphysical 煸、、\\: 4.3 5.O 5.8 6.5 实际周期(s) 实际波高(m) 模拟波高(m) 1.1 1.3 1.5 1.7 模拟周期(s) O.30 0.02 (1,1) (1,2) (1,3) (1,4) O.75 0.05 (2,1) (2,2) (2,3) (2,4) 实验编号 1.20 0.08 (3,1) (3,2) (3。3) (3,4) 1.50 0.10 (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) 3.3试验过程 试验过程中采用主要仪器有浪高仪、位移传感器,这两种仪器在使用之前都要进行 率定,得到相应的率定系数。对于这两种仪器的率定方法略微不同。浪高仪的率定主要 是校对率定系数,当率定系数达到O.9999以上时,才符合要求,否则需要重新进行率定; 而对于位移传感器的率定,是为了得到率定系数,得到率定系数后,才能将位移传感器 输出的电压信号转换为相应的位移值。具体率定方法如下:对于浪高仪的率定,先将仪 器入水20cm,然后每次向下下降2cm,连续6次,每次都记录水面高度值和电压值, 最后汇总得到浪高仪的率定系数。同样的原理对位移传感器进行标定,位移传感器从上 往下进行标定,每次下降5cm,连续操作五次,每次都记录下降位置和电压变化值,最 后汇总得到位移传感器的率定系数,重复上述步骤三次,得到三个不同的标定系数,然 后取其平均值。 在对仪器进行标定之后,接下来的工作是凑波。在水槽中,由于入射波会受到反射 波叠加的影响,输入的波况参数与实际波高会有偏差,因此,在试验开始前要进行校订。 方法是改变输入的波高来控制实际波高,当采集的波高与想要的波高差值在5%以内时, 即可满足要求。 完成凑波的工作后就是安装模型了。将圆柱形浮子放置在水槽的中间位置,并与垂 直导轨相连,浮子的上部安上位移传感器,前后分别放置一组浪高仪。完成安装后即可 进行试验。 在试验过程中主要测量的参数是圆柱形浮子前后的波高和浮子在波浪作用下随时 问变化的垂荡位移值。波浪要素测量采用DLY.1浪高仪,量程不小于35cm,绝对误差 量主要采用拉杆直线

  “原创力文档”前称为“文档投稿赚钱网”,本网站为“文档C2C交易模式”,即用户上传的文档直接卖给(下载)用户,本站只是中间服务平台,本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有【成交的100%(原创)】

http://rowforkids.com/fushi/149.html
锟斤拷锟斤拷锟斤拷QQ微锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷微锟斤拷
关于我们|联系我们|版权声明|网站地图|
Copyright © 2002-2019 现金彩票 版权所有