浮子式波能转换装置及其深海平台减振一体化系统研究

摘要

波浪能是地球上蕴藏丰富的可再生能源。由于其具有能流密度大、对海岸港口的景观视觉影响小以及整体生命周期碳排放量低等优点，波能转换技术从上世纪初开始就受到各国的关注。但是波浪能随海域地理位置和时间变化剧烈，导致波能转换装置难以保持最佳工作状态，且波能转换装置所处环境恶劣，在极端海况下，波能装置易损坏，而采用不易损坏的波能转换装置往往发电效率又较为低下。另一方面，在离岸较远的深海地区，虽然波浪能蕴藏更为丰富，但电能的并网运输会较为困难。因此相比风力发电和光伏太阳能发电，目前波浪能在发电技术上不够成熟、发电成本较高。目前较为成熟的应用是给航标灯、航标船供电以及给边远海域、海岛的国防以及开发等提供能源。但随着日益突出的环境污染问题，在近十年世界各国、特别是欧美等国，对波能开发技术研究提供了倾斜性的政策支持，使得波浪能技术也逐步从实验室走向了工程应用。虽然我国海岸线较长，但是由于第一岛链存在的地理位置原因，我国的近海波浪能相比其它国家、特别是北欧南美国家，波能密度相对较小，因此对波能装置的转换效率要求更为突出。为此，本文首先以直驱振荡浮子式波能发电装置作为研究对象，一方面通过对近海海底支撑的单体垂荡浮子水动力外形优化和对深海设置浮体支撑的垂荡浮子的锁定控制两个方面进行研究，进一步提高装置捕获波能的效率；另一方面参考双体浮子波能转换装置捕能原理和调谐质量阻尼器减振原理，提出了两种用于深海平台的调谐减振-发电垂荡板系统、与深海平台形成新型复合海洋能结构，其中调谐垂荡板系统与深海平台运动自由度调谐共振、抑制深海平台相应自由度的运动响应，同时可以高效捕获和转换波浪能、直接供给平台使用、解决波浪能发电并网输送使用困难问题。
　　本研究主要内容包括：⑴以海底支撑单体浮子为研究对象，为方便考虑发电机行程约束、浮子底部出水面抨击约束条件对捕获能效的影响，采用随机振动理论，推导建立了不规则海况下，发电机行程约束、浮子底部出水面抨击对浮子式波能装换装置的捕获功率折减的理论计算公式，并建立了频域计算方法对浮子的年均捕获能效进行快速计算。针对一个以三控制点的三次样条曲线构造了参数化的旋转体外形的单体垂荡浮子波能转换装置，联合MATLAB和ANSYS-AQWA软件，建立了在指定海况下，以该年发电量为优化目标的浮子几何外形自动优化程序。并通过一实际海况下的优化算例，通过数值模拟计算对比，用于验证算法的有效性。⑵提出了一种用于深海条件下的直驱式双体垂荡浮子式波能转换装置，并提出可以采用一种双出杆液压装置用于施加锁定控制，以便提高装置的波能转换效率。根据锁定控制状态下，波激力与锁定控制力的关系，提出和建立了一种基于锁定控制力反馈的最优锁定控制策略。并通过一实际海况下的算例，分析本文提出的基于锁定控制力反馈的最优锁定控制策略的有效性。⑶根据针对平台控制垂荡和控制摇动两个目的，提出了两种用于深海平台振动控制和波能转换一体化的调谐减振-发电垂荡板系统。以南海某深海半潜式平台为例，在Simulink中分别建立了的两个半潜式平台调谐减振-发电垂荡板系统的时域计算模型。对两种调谐减振-发电垂荡板系统的垂荡板大小、调谐周期以及发电机阻尼进行参数和优化分析。数值模拟结果表明，该垂荡板系统能够有效控制平台运动同时能够提供客观的能量。⑷分别对垂荡板进行了水动力特性实验以及发电机系统的力电性能试验。垂荡板水动力性能实验和研究了不同厚宽比、运动频率以及不同 KC数对垂荡板的水动力参数的影响。采用实验分析了不同频率、幅度运动以及不同大小负载电阻条件下，能量输出系统的力学特性和电学特性，并建立相应的计算模型。最后通过实验研究了这两种调谐减振-发电垂荡板在不同频率的简谐运动驱动下，该系统的运动性能、对平台的控制性能以及发电性能。⑸在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室进行了缩尺比为1:70某半潜式平台调谐减摇-发电垂荡板系统一体化模型实验。通过自由衰减实验、规则波实验以及不规则波实验，分析研究了不同负载电阻条件下，调谐减摇-发电垂荡板系统对平台运动控制和捕获能效的影响，从而验证该装置的有效性。⑹提出了深海半潜式平台调谐减振-发电垂荡板系统的实时混合模拟实验方法。采用伺服平板永磁直线电机作为垂荡板物理子系统实验实时可控驱动的作动器，搭建和完成了相应两个系统实时混合模拟实验。根据两种深海半潜式平台调谐减振-发电垂荡板系统在几种不规则波浪下的运动响应和捕获能效结果，与纯数值模拟计算结果进行比较，验证了该实验方法的有效性。

目录

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2课题研究目的和意义

1.3波能转换装置的分类与研究现状

1.4波能转换装置若干关键科学问题研究进展

1.5本文研究内容

第2章 海底支撑垂荡浮子式波能转换装置的浮子形状优化

2.1引言

2.2波浪理论及线性势流理论基础

2.3波浪工况的数学描述

2.4运动约束下的浮子式波能装换装置的年均捕获能效计算方法

2.5简单几何外形浮子水动力特性分析

2.6海底支撑垂荡浮子的几何外形自动优化

2.7本章小结

第3章 双体垂荡浮子式波能转换装置的反馈锁定控制策略

3.1引言

3.2双体垂荡浮子波能转换装置模型

3.3双体垂荡浮子式波能转换装置最优锁定控制

3.4基于锁定控制力反馈的的最优锁定控制策略

3.5双体垂荡浮子式发电装置在锁定控制下的响应分析

3.6本章小结

第4章 深水半潜式平台调谐减振-发电垂荡板系统及其参数设计与性能分析

4.1引言

4.2深水半潜式平台调谐减振-发电垂荡板系统概念设计

4.3深水半潜式平台及垂荡板水动力性能分析

4.4单块调谐减荡-发电垂荡板系统参数设计与性能分析

4.5多块调谐减摇-发电垂荡板系统参数设计与性能分析

4.6本章小结

第5章 调谐减振-发电垂荡板系统的力电性能实验

5.1引言

5.2调谐减振-发电垂荡板系统元件性能实验

5.3调谐减振-发电垂荡板系统性能试验平台架构

5.4单块调谐减荡-发电垂荡板系统性能实验

5.5多块调谐减摇-发电垂荡板系统性能实验

5.6本章小结

第6章 深水半潜式平台调谐减振-发电垂荡板系统的一体化模型实验

6.1引言

6.2深水半潜式平台的物理模型与缩尺比设计

6.3深水半潜式平台的耐波性能实验

6.4半潜式平台多块调谐减摇-发电垂荡板系统的一体化模型实验

6.5本章小结

第7章 深海半潜式平台调谐减振-发电垂荡板系统的实时混合模拟实验

7.1引言

7.2实时混合模拟实验方法

7.3实时物理实验子系统作动器及测控系统

7.4实时混合模拟数值计算的时滞稳定性分析

7.5调谐减振-发电垂荡板物理实验子系统模型参数设计

7.6半潜式平台单块调谐减荡-发电垂荡板系统的实时混合模拟实验

7.7半潜式平台多块调谐减摇-发电垂荡板系统的实时混合模拟实验

7.8本章小结

结论

1. 主要结论

2. 主要创新点

3. 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历