兩類點吸式波能裝置水動力特性研究.pdf

1、隨著化石能源的不斷開采，人類將面臨化石能源枯竭和環(huán)境污染的嚴峻挑戰(zhàn)。波浪能是一種清潔的海洋可再生能源，具有分布廣泛、儲量豐富的特點，利用波浪能發(fā)電已成為工業(yè)界和科技界關注的熱點領域。波浪能發(fā)電裝置主要有點吸式、振蕩水柱式、擺式、鴨式和越浪式等形式。點吸式裝置又稱為振蕩浮子式裝置，該裝置是通過基于支撐載體上的振蕩浮子來捕獲波浪能的裝置。
　　點吸式波能發(fā)電裝置由于其結構相對簡單、轉換效率較高、安裝維護方便等優(yōu)點而受到了人們的廣泛關注

2、。若按照載體是否固結于岸基或海床，點吸式波能發(fā)電裝置可分為固定式和漂浮式裝置兩種，若按照基于同一載體上浮子的個數可分為單點吸式和多點吸式裝置。關于固定和漂浮這兩類點吸式波浪能發(fā)電技術及其裝置的研究已有很多，但是關于這兩類裝置在波浪中的流場特性、水動力學作用以及能量轉換機制或規(guī)律等基礎理論問題的研究還不深入，制約著點吸式波能利用技術的發(fā)展和發(fā)電裝置設計方法的進步。本文針對兩種典型的點吸式波能裝置開展研究，一是基于固定式載體的擺臂浮子波能裝

3、置，二是基于圓柱型漂浮式系泊載體的同軸立柱浮子波能裝置。通過理論分析、數值計算與模型試驗的手段，研究這兩種裝置的水動力學求解方法以及浮子的運動和波能轉換特性，為該類波能裝置的設計提供理論基礎和技術手段。
　　針對同軸立柱浮子結構的點吸式波能裝置，研究圓形立柱浮體和軸向運動的浮子在波浪作用下的輻射問題、繞射問題。基于勢流理論、分離變量法和級數展開法，根據裝置的結構特點，將流體域劃分為三個子域，在各個子域內求解輻射速度勢和繞射速度勢的

4、級數展開式，通過邊界條件確定級數展開式未知系數，獲得浮子和立柱耦合運動速度勢的解析表達式。通過數值算例，將解析水動力結果與AQWA數值結果和非耦合水動力計算結果相對比，驗證了結果的正確性并分析了耦合與非耦合水動力結果之間的差異，根據求解結果分析浮子和立柱水動力性能，研究浮子和立柱的尺度關系對其水動力性能的影響。
　　針對同軸立柱浮子式波能裝置，研究系泊狀態(tài)下具有同軸立柱浮子結構的波能裝置的運動特性和能量轉換特性。首先建立立柱浮子式

5、波能裝置的浮子—PTO系統(tǒng)—立柱載體的耦合動力學模型，推導浮子和立柱的相對運動函數以及系統(tǒng)的能量轉換函數?？紤]到該類裝置的同軸立柱浮子結構形式，通過耦合水動力求解和性能分析,研究浮子與立柱的尺度、波浪參數、PTO系統(tǒng)阻尼和彈簧等參數對浮子和立柱的水動力性能的影響規(guī)律，探討系統(tǒng)的能量轉換機理。在此基礎上結合遺傳算法建立立柱浮子式波能裝置的能量轉換性能的優(yōu)化模型，在一定程度上提高裝置的能量轉換效率。
　　針對擺臂浮子式波能裝置，研究浮

6、子的運動特性、能量轉換性能。首先分析擺臂浮子的波能裝置的擺臂、浮子、PTO等機構的運動特征，推導并建立PTO—擺臂—浮子的耦合運動學方程，求解并獲得裝置的各機構的運動函數和能量轉換函數；然后基于數值計算獲得浮子的水動力系數。優(yōu)化浮子形狀，擺臂的初始安裝角、平臺的傾角、PTO在擺臂上的安裝位置等參數，分析系統(tǒng)的阻尼特性和彈簧特性，探討裝置在 PTO阻尼系數和剛度系數變化時功率特性曲線的變化趨勢以及能量輸出響應頻寬變化規(guī)律，系統(tǒng)的研究和總結