浮式圆柱波能装置水动力计算及能量稳定控制研究

摘要

目前漂浮式波能装置在波浪能利用中的研究最为活跃。波能装置设计必须以精确的水动力数据为依据，水动力计算是提供设计数据不可或缺的手段。波能装置实现独立稳定运行是波浪能走向实用的关键。 漂浮式波能装置的能量采集系统多采用圆柱体。圆柱体的水动力问题常采用特征函数展开匹配法等解析方法研究，许多文献报道了单圆柱体、等半径同轴双浮体的辐射和绕射问题的研究成果。单圆柱体波能装置往往带有基座或沉箱，同轴双浮体波能装置的两圆柱体的半径也不一定相等，对于这些条件下浮体的水动力学问题研究未见相关文献报道。到目前为止，世界上建造的波力电站只能把采集到的波浪能转换成不稳定的电能，这种电能采用上网的方式加以接收和消化，不能实现独立稳定运行。为此，本文开展了如下几方面的研究工作。 1、单浮体波能装置数值计算以线性波理论为基础，采用特征函数展开匹配法推导了单圆柱体处在平底或圆柱形沉箱(地形)上整个流场的速度势表达式，继而得到了水动力系数、波浪激励力、运动响应和水动力等表达式，并在此基础上建立了数值计算平台。数值计算结果表明：(1)单浮体垂荡运动发生共振必须满足浮体半径与吃水深度之比小于约等于6的特征值，比值越小，共振的幅值越大，幅频曲线越尖锐。最优转换效率也有类似变化的趋势；(2)置于沉箱上的单浮体，如果沉箱的尺度相对于水深和单浮体不是很大，那么它的存在对单浮体运动和力学特征影响不大，但若它尺度如果足够大时，则在频率低端的相应物理量上会增加一个波动，波动幅度在某些频率点上成倍增长；(3)置于不同水深的单浮体，如果不是太靠近海底，其最优转换效率几乎不受影响，这与水波是表面波有关。大尺度沉箱的存在尽管对最优转换效率最大值的影响不大，但明显提高了低频端的最优转换效率，增加了频率响应宽度。 2、双浮体波能装置数值计算研究双浮体(上浮体和下浮体)问题同研究单浮体问题采用的方法一样，但其边界条件不同，速度势的特解也有所不同，速度势的待求系数要比单浮体问题的求解量多，水动力系数和波浪激励力表达式等要比单浮体问题的表达式多和复杂。同样基于线性波理论推导的各种方程和表达式编制了数值计算平台。一些算例结果表明：(1)下浮体半径相对上浮体半径越大、两浮体越近，上浮体的水动力系数在低频端上波动性越明显，来自于下浮体摇荡运动的影响更加突出，半径变化影响系数的极值数量和极值对应的频率，距离变化影响系数的幅值。下浮体厚度的变化对上浮体的水动力系数的影响不明显；(2)下浮体半径的相对变化在不同程度上提高了上浮体在低频端受激励力的强度，半径相对变化越大，拓展的宽度越宽；下浮体半径相对变化对自身受到了激励力影响不仅变化趋势不一样，而且幅值和极值起落更大。浮体之间距离的变化几乎只影响到激励力的幅值，对激励力的变化趋势影响不大；下浮体厚度的变化对作用在上浮体的激励力未见明显影响，对自身受力影响却随着厚度的增大总体趋势变大；(3)下浮体的半径和两浮体之间的距离对一定假设条件下波能装置的最优转换效率最大值影响不大，但它提高了低频端的效率幅值，拓展了效率频率宽度。显然，相对较大的沉箱同相对较大的下浮体有类似的作用，一方面在低频端引起水动力系数和波浪激励力的波动，在某些频率点上相应物理量幅值成倍增长，另一方面拓宽了波能装置的最优转换效率的宽度。这两点据作者所知是首次被报道，它们对漂浮式波能装置的设计有非常重要的指导意义。 3、独立稳定波力电站控制系统的研究实现把不稳定波浪能输入转换为平稳输出的一个关键和重要技术是采用高效能的蓄能稳压系统，而建立在蓄能稳压系统平台上的控制系统是实现能量平稳输出的关键。在蓄能稳压发电系统仿真动力试验平台上，采用手动/自动变频方式控制电动机转速模拟不稳定的波浪能量输入，设计的控制系统成功地实现了对整个系统的自动监测与控制任务，把不稳定的能量输入转换成了稳定的能量输出，其控制原理、控制方式和程序流程在实海况试验中得到了验证，首次在世界上实现了实海况下波力电站能量的稳定输出。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章绪论

1.1 IPS-OWEC Buoy波能装置

1.2 Swedish Hosepump波能装置

1.3 WaveBob波能装置

1.4瑞典直线运动式波能装置

1.5浮体水动力问题解析方法研究现状

1.6波力电站电力输出方式研究现状

1.7本论文的主要研究内容

主要参考文献

第二章单浮体波能装置水动力计算及转化效率

2.1单浮体问题描述与数学模型

2.1.1辐射问题数学模型

2.1.2绕射问题数学模型

2.2单浮体辐射和绕射问题的求解

2.2.1辐射速度势的级数表达式

2.2.2绕射速度势的级数表达式

2.2.3表达式中未知系数的确定方法

2.3波浪激励力和辐射作用力

2.3.1波浪激励力

2.3.2辐射作用力

2.4单浮体自由运动响应和水动力

2.5单浮体波能装置垂荡运动的最优转换效率

2.6数值计算结果分析及讨论

2.6.1等水深单浮体的垂荡响应、水动力和转换效率

2.6.2沉箱对单浮体水动力系数和波浪激励力的影响

2.6.3沉箱对单浮体垂荡运动响应、垂向水动力和转换效率的影响

2.7结束语

主要参考文献

附录A图2.1各种组合方式下的flj表达式

第三章双浮体波能装置的水动力计算及转换效率

3.1双浮体问题描述与数学模型

3.1.1双浮体辐射问题数学模型

3.1.2双浮体绕射问题数学模型

3.2双浮体辐射和绕射问题的求解

3.2.1辐射速度势的级数表达式

3.2.2辐射速度势的级数表达式

3.2.3表达式中未知系数的确定方法

3.3作者在双浮体上波浪激励力和辐射作用力

3.3.1波浪激励力

3.3.2辐射作用力

3.4双浮体自由运动响应和水动力

3.5双浮体波能装置垂荡运动的最优转换效率

3.6双浮体数值计算结果分析及讨论

3.6.1上浮体水动力系数与下浮体尺度和位置的关系

3.6.2波浪激励力与下浮体尺度和位置的关系

3.6.3最优转换效率与下浮体尺度和位置的关系

3.7结束语

主要参考文献

附录B双浮体f(km)lj的具体表达式

第四章独立稳定波力发电系统自动控制技术研究

4.1引言

4.2独立稳定波力发电系统的组成及原理

4.3仿真装置控制系统的设计目标、方案

4.3.1设计目标

4.3.2设计方案

4.4自动控制系统硬件构成、软件环境

4.5数学模型

4.5.1标度变换数学模型

4.5.2控制方式数学模型

4.6自动控制系统软件设计

4.7仿真装置自动控制实验结果及分析

4.8实海况试验结果及讨论

4.9结束语

主要参考文献

第五章全文总结与展望

5.1主要结论

5.2进一步研究工作

5.3独立稳定波力发电技术展望

致谢

攻博期间发表论文及参加课题情况

作者简介