浮力摆式波浪能发电装置关键技术研究

【摘要】：能源是人类生存和从事一切生产活动的物质基础。经济发展与能源短缺的矛盾；传统能源过度开发与环境急剧恶化的因果关系；国际能源冲突与能源安全等重大问题已引起国内外越来越高的关注。波浪能由于具有可再生、绿色环保和储量丰富的特点,日益受到世界许多国家的重视。科学地、更大规模地利用波浪能对促进国民经济的可持续发展具有重要的深远意义。针对波浪随机波动的不确定性和恶劣的海洋环境等不利因素,能否制造出科学合理、经济适用的能源机械装备不仅直接影响到波浪能转化效率和成本的高低,而且往往决定着实际利用波浪能总体技术的成败。 作为一种系统集成创新的利用波浪能来发电的海洋能源利用装备,浮力摆式波浪能发电装置的研制存在若干关键技术难题,本文试图通过理论分析、仿真试验并结合实验样机厂房试验、现场试验等手段以期研究论证浮力摆式波浪能发电装置双行程全周期做功的可行性,大幅提高其工作效率和在不确定波况等恶劣海况下的生存能力和可靠性,优化浮力摆翼型结构,通过对机组的功率控制实现最大能量捕获和功率稳定输出等。 论文首先通过波浪理论对浮力摆在波浪上的运动规律进行分析,并在流体动力学理论的基础上运用有限元法流固耦合多物理场建模仿真对浮力摆翼形进行水动力学特性的研究及优化设计。在传动系统方面,重点研究了双行程全周期做功的液压式能量传动方案,通过对液压传动方案的仿真试验和厂房的半物理仿真试验的结果分析,表明采用蓄能器的双行程全周期做功的液压传动系统在提高系统效率及输出功率稳定性方面性能良好。论文还对浮力摆式波浪能发电系统的功率控制技术进行了研究,对控制器系统结构及其控制算法进行了仿真研究,结果表明基于负载控制的最大能量捕获可以使浮力摆式波浪能发电系统功率较好地稳定在最大功率点附近。 论文各章内容分述如下： 第一章在调研查阅了大量的国内外相关文献的基础上,论述了波浪能发电装置研究的背景、目的和意义；介绍了国内外各种波浪能发电技术的研究进展及取得的成果；总结了当前浮力摆式波浪能发电装置研究方面亟待解决的一些关键技术问题。 第二章运用波浪理论、流体动力学理论分析了波浪流体质点的运动特性,随后介绍了浮力摆在波浪上的运动理论基础,最后介绍了浮力摆在波浪能发电装置的组成结构及工作原理。 第三章分述了浮力摆式波浪能发电装置的若干关键技术问题。首先利用理论分析对浮力摆翼型水动力学特性进行流固耦合有限元法多物理场模拟仿真；在分析研究仿真结果的基础上对浮力摆翼型进行设计计算；在比较了波浪能发电装置各种传动方式优缺点的基础上,引申出本课题提出的带蓄能器的双行程全周期做功的液压能量传动系统方案；最后对机组的电气及负载控制系统等也进行了设计介绍。 第四章着重研究了双行程全周期做功的液压传动系统在浮力摆式波浪能发电装置中的应用,包括双行程全周期做功的液压传动系统的工作原理及设计、液压元器件的计算与选型等；联合软件AMESim及Matlab/Simulink对双行程全周期做功的液压传动系统进行系统建模,并进行蓄能稳压恒频及功率稳定等方面的联合仿真验证,并进行分析总结。 第五章首先对浮力摆式波浪能发电装置运行工况进行分析,由此对浮力摆式波浪能发电系统结构进行研究,并提出基于负载控制的最大能量捕获及改进的自适应变步长扰动观测功率控制策略,根据系统运行功能需求对控制器做了系统软硬件设计,并对控制器系统结构及控制算法进行了建模仿真研究验证。 第六章介绍了5kW浮力摆式波浪能发电装置原理样机的厂房原理可行性验证试验及双行程全周期做功试验,并根据试验结果对机组整体性能进行了分析及总结。 第七章对本文的研究工作及成果进行了归纳总结,并指出本课题今后进一步的工作内容与研究方向。 【关键词】：波浪能 浮力摆 波浪理论 流固耦合 双行程全周期做功 液压传动 最大能量捕获 功率稳定控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P743.2
【目录】：

• 致谢6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 1 绪论14-32
• 1.1 课题研究背景、目的及意义14-19
• 1.1.1 课题研究的背景14-16
• 1.1.2 课题研究的目的及意义16-19
• 1.2 国内外波浪能发电技术进展19-26
• 1.2.1 点吸收式波浪能技术发展及研究现状19-21
• 1.2.2 消耗式波浪能技术发展及研究现状21-22
• 1.2.3 截止式波浪能技术发展及研究现状22-26
• 1.3 浮力摆式波浪能发电装置亟待解决的技术问题26-30
• 1.3.1 浮力摆流体力学特性研究26-27
• 1.3.2 能量传动技术研究27-29
• 1.3.3 功率控制技术研究29
• 1.3.4 安装与维修技术研究29-30
• 1.4 本课题主要研究内容30-32
• 2 浮力摆式波浪能发电装置的基本原理32-48
• 2.1 波浪理论32-38
• 2.1.1 微幅波理论的基本方程32-35
• 2.1.2 平面进行波的势涵数35-36
• 2.1.3 波浪流体质点的运动特性36-38
• 2.2 浮力摆在波浪上的运动理论基础38-45
• 2.2.1 坐标系的选取和运动量的描述38-40
• 2.2.2 边界条件和格林函数40-42
• 2.2.3 浮力摆在波浪上的受力分析42-45
• 2.3 浮力摆式波浪能发电装置工作原理45-48
• 2.3.1 机组结构组成及特点45-46
• 2.3.2 机组工作原理46-48
• 3 浮力摆式波浪能发电装置关键技术研究48-76
• 3.1 浮力摆与波浪的相互耦合作用48-51
• 3.2 浮力摆翼型水动力学特性的数值模拟51-58
• 3.2.1 浮力摆翼型的流固耦合数学模型52-54
• 3.2.2 浮力摆翼型结构参数对水动力学特性的影响54-58
• 3.3 浮力摆翼型设计与计算58-64
• 3.3.1 莫里森方程下总水平波浪力的计算58-60
• 3.3.2 浮力摆翼型结构设计与校核60-64
• 3.4 传动系统方案研究设计64-66
• 3.5 电气系统设计66-76
• 3.5.1 发电机选型66-67
• 3.5.2 负载控制器67-70
• 3.5.3 主控制系统设计70-76
• 4 双行程全周期做功的液压传动系统设计及仿真研究76-97
• 4.1 双行程全周期做功的液压传动控制系统原理76-79
• 4.2 双行程全周期做功的液压传动控制系统组成及元件选型79-85
• 4.2.1 主油路液压元件的计算与选型79-83
• 4.2.2 低压回油路液压元件的计算与选型83-85
• 4.3 液压传动系统的建模及仿真研究85-89
• 4.4 波浪能发电装置稳压恒频及功率稳定的仿真研究89-97
• 5 浮力摆式波浪能发电系统功率控制技术研究97-117
• 5.1 浮力摆式波浪能发电系统运行工况分析97-99
• 5.2 浮力摆式波浪能发电系统结构研究99-101
• 5.3 基于负载控制的最大能量捕获101-109
• 5.3.1 波浪能装置发电机组及其转速控制方式102-105
• 5.3.2 最大能量捕获的功率控制策略105-109
• 5.4 最大能量捕获功率控制系统的仿真与分析109-112
• 5.4.1 发电系统仿真模型的建立109-111
• 5.4.2 仿真结果分析111-112
• 5.5 控制器及软硬件设计112-117
• 5.5.1 控制器系统总体设计112-114
• 5.5.2 最大能量捕获功率控制114
• 5.5.3 蓄电池充电放控制114-115
• 5.5.4 运行保护控制115-117
• 6 浮力摆式波浪能发电装置试验及结果分析117-131
• 6.1 浮力摆式波浪能发电装置气密性试验117
• 6.2 浮力摆式波浪能发电装置单液压缸做功性能试验117-124
• 6.2.1 单液压缸做功灯泡带载原理性试验117-118
• 6.2.2 单液压缸做功定流量性能试验118-119
• 6.2.3 单液压缸做功变系统压力性能试验119-124
• 6.3 浮力摆式波浪能发电装置双液压缸双行程做功性能试验124-131
• 6.3.1 双液压缸双行程做功试验平台的设计与搭建124-125
• 6.3.2 双液压缸双行程做功变系统压力性能试验125-128
• 6.3.3 双液压缸双行程做功变系统流量性能试验128-129
• 6.3.4 双液压缸双行程做功变马达排量性能试验129-131
• 7 结论与展望131-135
• 7.1 全文主要结论131-133
• 7.1.1 论文主要研究内容131-132
• 7.1.2 论文主要创新点132-133
• 7.2 工作展室133-135
• 参考文献135-140
• 攻博期间发表(录用)的论文140

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