浮子式波浪能转换装置机理的频域及时域研究

【摘要】：近年来，全球能源供求的紧张和CO2减排的要求极大的刺激了海洋波浪能转换科技的发展，多种不同样式的波浪能转换装置在全球范围内得到了应用，包括振荡水柱式波浪能转换装置、收缩波道式波浪能转换装置和振荡式波浪能转换装置。本文研究的是浮子式波浪能转换装置，它以一个浮子为吸收波浪能的载体，通过浮子的垂荡运动，直接驱动线性发电机，或通过液压传动或机械装置驱动发电机，完成波浪能到电能的转换。本文通过频域和时域分析等研究手段，探索了浮子式波浪能转换装置的工作机理及其波能俘获特性。 本文首先对直接驱动的浮子式波浪能转换装置进行了频域分析，采用线性理论，在仅考虑浮子做垂荡运动的情况下，假设能量输出系统是线性的，建立了直接驱动的浮子式波浪能转换装置频域运动方程，获取了该系统的频率响应函数，推导了波浪能转换系统在规则波和随机波浪条件下的能量俘获宽度。研究表明能量俘获宽度受波谱谱峰频率、频率响应函数和能量输出系统的影响。波谱谱峰频率与固有频率越接近，频率响应函数的幅值越大，能量输出系统的阻尼系数越大，则能量俘获宽度也越大。 鉴于频域分析无法充分考虑能量输出系统非线性特性和控制对浮子式波能装置波能俘获特性的影响，本文还采用时域模拟方法研究了浮子式波浪能转换装置。介绍了状态空间模型近似替代时域运动方程中卷积项方法，并使用该方法对直接驱动的浮子式波浪能转换装置进行时域模拟，假定能量输出系统是线性的，对比时域模拟结果与频域计算结果，验证了状态空间模型近似替代方法的准确性。 本文研究了能量输出系统非线性特性对直接驱动的浮子式波浪能转换装置波能转换性能的影响。假定当浮体垂荡运动速度较小时，活塞杆的阻尼力与运动速度呈正比，当运动速度较大时阻尼力为一定值。研究发现，波能装置在适宜的海浪环境条件下工作效率最佳，恶劣的海洋环境不会使波能俘获性能获得提升，反而会导致波能装置的结构或系泊系统破坏。 本文还对能量输出系统为液压系统的浮子式波浪能转换装置作了初步探讨。在仅考虑浮子做垂荡运动的情况下，采用状态空间模型近似替代方法，对液压系统进行了较为合理的简化处理，建立了浮子式波浪能转换装置的时域模拟数学模型，研究了规则波浪和随机波浪作用下该波能装置的波能转换特性。在本文基础上可进一步研究波能装置的控制问题。 【关键词】：波浪能转换装置 频域分析 时域模拟 能量俘获宽度 线性能量输出系统 液压能量输出系统
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P743.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 概述10-11
• 1.2 波浪能资源分布11-12
• 1.2.1 全球波浪能资源分布11
• 1.2.2 我国波浪能资源分布11-12
• 1.3 波浪能转换装置概况12-16
• 1.3.1 振荡水柱式波浪能转换装置14
• 1.3.2 收缩波道式波浪能转换装置14-15
• 1.3.3 振荡式波浪能转换装置15-16
• 1.4 振荡浮子式波浪能转换装置概况及研究现状16-19
• 1.4.1 振荡浮子式波浪能转换装置概况16-17
• 1.4.2 振荡浮子式波浪能转换装置研究热点问题17-19
• 1.5 本文主要研究内容及创新点19-21
• 1.5.1 研究背景及意义19-20
• 1.5.2 主要研究内容20
• 1.5.3 创新点20-21
• 第二章 浮子式波浪能转换装置水动力性能模型试验研究21-35
• 2.1 概述21-22
• 2.2 相似法则与坐标系22-23
• 2.2.1 相似法则22
• 2.2.2 坐标系22-23
• 2.3 模型制作与校验23-25
• 2.3.1 WEC浮体模型23-25
• 2.3.2 系泊系统模型25
• 2.4 海洋条件模拟25-27
• 2.5 试验测试内容及仪器27
• 2.6 试验内容27-28
• 2.7 结果与分析28-34
• 2.7.1 静水衰减试验结果28-29
• 2.7.2 白噪声试验结果29-30
• 2.7.3 不规则波试验结果30-34
• 2.8 本章小结34-35
• 第三章 直接驱动的浮子式波浪能转换装置机理的频域研究35-52
• 3.1 概述35
• 3.2 浮子频域运动方程35-42
• 3.2.1 几个基本假定36
• 3.2.2 频域运动方程36-38
• 3.2.3 三维无航速频域势流理论38-42
• 3.3 能量俘获宽度42-45
• 3.3.1 随机波浪的生成42-43
• 3.3.2 波浪能转换装置吸收能量平均功率43-44
• 3.3.3 波浪能量输运44
• 3.3.4 能量俘获宽度计算44-45
• 3.4 能量俘获宽度影响因素分析45-51
• 3.4.1 水深对能量俘获宽度的影响45-46
• 3.4.2 频率响应函数对能量俘获宽度的影响46-48
• 3.4.3 能量输出系统的阻尼系数对能量俘获宽度的影响48-50
• 3.4.4 能量输出系统的弹性系数对能量俘获宽度的影响50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 直接驱动的浮子式波浪能转换装置机理的时域研究52-71
• 4.1 概述52-53
• 4.2 浮子时域运动方程53-54
• 4.2.1 时域运动方程53
• 4.2.2 时延函数性质53-54
• 4.3 状态空间模型近似替代方法54-59
• 4.3.1 线性系统54-56
• 4.3.2 状态空间模型及其辨别56-58
• 4.3.3 参数估计方法58-59
• 4.4 时域运动方程求解59-64
• 4.4.1 随机波浪59-61
• 4.4.2 波浪激励力和能量输出系统作用力61-62
• 4.4.3 数值求解方法62-64
• 4.5 数值算例64-70
• 4.5.1 状态空间模型近似替代方法准确性验证64-67
• 4.5.2 能量输出系统非线性阻尼特性研究67-70
• 4.6 本章小结70-71
• 第五章 带液压系统的浮子式波浪能转换装置机理时域研究71-90
• 5.1 概述71
• 5.2 带液压系统的浮子式波浪能转换装置数学模型71-80
• 5.2.1 Matlab/Simulink仿真求解76-77
• 5.2.2 功率键合图求解77-80
• 5.3 数值算例80-88
• 5.3.1 液压系统固有频率分析81-83
• 5.3.2 规则波模拟结果与分析83-87
• 5.3.3 随机波浪模拟结果与分析87-88
• 5.4 本章小结88-90
• 第六章 总结与展望90-92
• 6.1 主要研究工作总结及结论90-91
• 6.2 进一步研究工作与展望91-92
• 参考文献92-96
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文96-97
• 致谢97-100
• 附件100

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