新型浮式风能-波浪能集成结构风浪耦合分析

摘要

能源作为人类生存的重要物质基础，在人类社会发展的历史中扮演着不可或缺的角色。随着能源危机的加剧，环境问题的日益突出，可再生能源的发展浪潮在全球范围内兴起，风能和波浪能正日益受到越来越多学者的关注。因海风与海浪具有天然相关性，风能丰富水域的波浪能资源也非常可观，因此本文提出将张力腿式风力发电机和垂荡浮子式波浪能发电装置进行科学集成，即利用风力机获取风能，并利用波浪能装置与风机塔架的相对垂向运动由液压传动PTO(Power-take-off)系统获取波浪能。此种新型浮式风能-波浪能集成结构可以使风力机与波浪能装置共享张力腿平台结构和配套的电力传输系统，有效提高海洋可再生能源和海面空间的利用效率。该新型浮式风能-波浪能集成结构系统的实际应用可有效解决南海岛礁和大型人工岛的用电问题，为我国实现建设海洋经济强国的战略目标提供技术支持。
　　本文首先以获得较大的波浪能发电功率为目标完成了对新型集成结构发电系统的概念设计和初步优化。详细讨论了典型波浪海况下波浪能浮子不同直径和不同形状对波浪能装置发电功率的影响，对PTO系统的阻尼刚度和波浪最优发电周期进行初步优化，并基于势流理论使用AQWA软件建立新型浮式集成结构系统的水动力分析模型。
　　然后，基于美国可再生能源试验5MW风力机的设计数据对风力机叶片载荷等效简化（即拟合风速-风载荷的函数关系），并考虑浮式平台运动对风机相对入射风速的影响，借助AQWA软件中的user-force接口优化构建新型浮式集成结构系统风浪耦合时域分析的数值模型。重点研究新型集成结构系统在典型运行风浪联合海况下的动力响应特征和风能波浪能输出功率特征，并对集成结构系统中的张力腿式风机与单独张力腿式风机的性能进行对比研究，重点参考张力腿平台的在纵荡、垂荡、和纵摇方向的运动、张力腿受力、机舱顶部加速度、波浪能装置和风机塔架之间的垂向相对速度、相对位移和接触力等关键参数，为集成结构系统的结构设计提供科学的参考依据。
　　最后，结合我国南海海域极端海洋环境条件，对极端海况下新型浮式集成结构系统的安全性能进行研究，重点参考PTO系统阻尼力和张力腿系统受力。对比研究不同自存策略对集成结构系统极值响应特征的影响规律，校核及完善其在极端海况下的安全性能，探索性提出该新型浮式集成结构系统抵御极端环境载荷的优化自存方案。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 海上浮式风机及波浪能装置的发展

1.3 国内外研究现状及发展动态分析

1.4 本文主要研究内容

2 风浪环境荷载计算理论基础与运动方程

2.1 坐标系的定义及运动方程的建立

2.2 空气动力荷载计算理论基础

2.3 水动力载荷计算理论基础

2.4 本章小结

3 基于张力腿式风能-波浪能集成发电系统概念设计与初步优化

3.1 新型浮式集成发电系统主体尺寸设计

3.2 附加波浪能装置结构参数的初步设定

3.3 附加波浪能装置系统参数的初步设定

3.4 新型浮式集成结构系统数值模型的建立

3.5 本章小结

4 一般运行海况下浮式集成结构系统性能研究

4.1 波浪作用下波浪能装置对张力腿平台运动及受力性能的主要影响

4.2 风载荷及风力机输出功率的计算方法

4.3 风浪耦合作用下集成结构系统运动响应算例

4.4 本章小结

5 极端海况下浮式集成结构系统性能及其自存策略研究

5.1 极端海况下浮式集成结构系统性能研究

5.2 极端海况下浮式集成结构系统自存策略研究

5.3 两种自存策略的对比研究

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要研究工作总结

6.2 进一步研究工作与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢