基于最优能量捕获的垂荡浮子式波浪发电装置研究

摘要

由于化石能源存在污染较大且不可再生的问题，世界各国正在着力研发绿色、可再生的清洁能源，而波浪能发电则成为其中一个重要研究方向。针对目前波浪能发电存在能量获取效率较低，发电品质不稳定的问题，本文根据微幅波理论对浮子外形进行了研究，选择直立圆柱体浮子为能量获取级，并以随机波浪理论及APSO算法为基础对浮子结构参数进行了优化，最后在单作用液压储能系统的基础提出了双作用液压储能系统，从而提高的垂荡浮子式波浪能发电装置能量获取效率，并且在一定程度上稳定了发电品质，本文主要完成的工作如下: 首先，介绍了国内外具有代表性的各种波浪能发电装置的基本原理及工作状态，简要阐述了流固耦合分析方法及波浪能发电装置储能系统分类，最终确定以采用蓄能器为储能元件的垂荡浮子式波浪能发电装置为研究目标。 其次，研究了流固耦合原理及微幅波理论，确定以浮子受力作为浮子能量捕获程度的评价标准，对在直立圆柱体浮子、长方体浮子、水平圆柱体浮子及球体浮子下的弗汝德—克雷洛夫法（F-K法）进行了研究，并将海况参数代入其中计算出在四种浮子中直立圆柱体浮子受力较大，最后通过AWQA软件对四种浮子进行了仿真分析，得出了直立圆柱体浮子受力较大的结论。 再次，针对微幅波理论使用范围有限的问题，提出了以随机波浪理论及APSO算法为理论基础对浮子进行参数优化，以“共振频率”为优化目标，通过APSO算法对四种浮子结构参数进行了优化，并采用AQWA软件对优化后的浮子进行了仿真，得出了直立圆柱体浮子能量捕获率提高较小的结论。 最后，在单作用液压储能系统的基础上，提出了双作用液压储能系统，以前期研究所得到的受力参数为数据基础对两种储能系统主要元件参数进行了计算，并在AMESim软件中对两种系统进行了分析，得到了双作用做功系统能量转化效率较高且能在一定程度上稳定液压马达转速的结论。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景、目的及意义

1．1．1课题的研究背景

1．1．2研究目的及意义

1．2波浪能发电技术国内外研究现状及发展趋势

1．2．1垂荡浮子式波浪能发电技术

1．2．2摆式波浪能发电技术

1．2．3点头鸭式波浪能发电技术

1．2．4岸式波浪能发电技术

1．3波浪能发电装置能量转换系统研究现状‘

1．4论文研究的主要内容

第2章发电装置原理与微幅波理论

2．1装置描述

2．2波浪运动

2．2．1波浪运动描述方法

2．2．2波浪运动方程及定解条件

2．3微幅波理论

2．3．1边界条件的简化

2．3．2微幅波势函数与色散方程

2．3．3微幅波的速度场与加速度场

2．3．4微幅波的压力场与波能

2．3．5水深模型计算

2．4本章小结

第3章浮子受力计算及分析

3．1弗汝德一克雷洛夫假定法

3．2浮体受力计算分析

3．2．1浮体力学模型

3．2．2直立圆柱浮体波浪力

3．2．3长方体浮体波浪力

3．2．4水平圆柱体浮体波浪力

3．2．5球体浮体波浪力

3．2．6不同浮体所受波浪力计算

3．3仿真分析

3．4本章小结

第4章基于随机波浪理论的浮子参数优化

4．1随机波浪理论

4．1．1波浪频谱及方向谱

4．1．2 JONSWAP海浪谱

4．1．3波浪谱与波浪要素

4．2参数优化算法

4．2．1基本PSO算法

4．2．2 APSO算法

4．3参数优化分析

4．3．1浮体自振周期

4．3．2 JONSWAP谱参数

4．3．3仿真分析

4．4本章小结

第5章双作用液压系统分析

5．1液压储能系统

5．1．1单作用液压储能系统

5．1．2双作用液压储能系统

5．2双作用液压储能系统仿真参数设计

5．2．1液压缸与液压马达仿真参数设计

5．2．2蓄能器仿真参数设计

5．3液压系统仿真与分析

5．3．1单作用液压储能系统仿真

5．3．2双作用液压储能系统仿真

5．3．3仿真结果对比与分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢