【毕业学位论文】（Word原稿）一种漂浮式波浪能液压发电系统的设计与水动力学分析-流体机械及工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 盛松伟 指导教师 游亚戈 研究员 中国科学院广州能源研究所 郑永红 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 流 体机械及工程 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 中国科学院 广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 摘要 摘 要 在传统能源供应日趋紧张，地球环境日益恶化的今天，开发清洁无污染的可再生能源是大势 所趋。海洋能是众多可再生能源中的一种，其能量蕴藏丰富，形式多种多样，如潮汐能、波浪能、海流能、温差能等。海洋波浪能是现今世界各国海洋能开发研究的热点与重点，英国、挪威、日本、美国等都在进行波浪能发电装置的试验与示范工作。 远离海岸的航标灯、海洋试验设备、海上标记点和小型海洋军事设备等需要电力供应才能正常的工作，这些设备虽然所需电量较小，但一般是比较孤立的存在于无人维护的海洋中。通过海底电缆从岸边向 上述设备 送电或在海洋中建造平台按放 燃油 发电 机 都是困难且昂贵的。利用海洋自身环境条件，设计一种无需维护、成本低廉的 小型波浪能发电装置为上述 远离海岸且 用电量较少的设备提供电力是有意义和价值的。 设计和优化该海洋能发电 装置 是本文 的 重点 工作 。文章 首先 对已有的漂浮式波浪能发电 装置进行分析和对比，初步确定采用液压系统作为能量转换的主要机构 。 然后从能量转 换的角度分析 实现 由波浪能到电能 的转换 所需的 环节， 再 由能量转换环节推出 实现该转换环节的 运动 形式，最后根据 运动形式确定执行运动的具体机构，这样就从整体上确定了系统的 基本 结构与组成。 系统的 初步设计是 原理性的，因此比较 粗糙的，为了最大能力的吸收波浪能，最有效的将波浪能转换 为 电能，对装置的 数学 建模、水动力学分析和 优化 工作 是必要的，文章对 原理性的 装置进行了简化分析，然后建立了数学模型，在建立数学模型的基础上，对波浪和装置的相互作用进行了水动力学计算，最后对 系统的弹簧刚性系数和外部 阻尼 力 进行了最优化计算，得到了最优 等效阻 尼 力和系统效率等计算结果 。计算过程中采用 基于简单格林函数的边界元法来研究二维浮体的水动力学系数和波浪力。 本文设计的 系泊于海底的波浪能液压发电装置在海洋工程领域 有广阔的应用前景。本文 对 二维浮体做功系统的数学建模 、水动力学分析 和 外 部阻尼 力的等效计算 等工作为处理类似问题提供了一种可以借鉴 的方法， 计算和 优化结果 为 实际设计工作 提供了 重要 的 参考价值。 关键词：波浪能；系泊；液压；发电 系统 ；水动力学计算 of On of so on as On of is we to is of it as so is in a of in In we a of to of or in of is by we a a of is by of we a s on is to of a on by is in of we a be in as of in to of to 录 目 录 第 1章 绪论 引言 传统能源供应紧张 使用传统能源对环境造成了严重的破坏 发展可再生能源 国内外波浪能研究现状 开发利用波浪能的主要形式 国外波浪能研究现状 我国波浪能研究现状 本文主要工作 要参考文献 2章 波浪能 基本知识和研究方法简介 引言 波浪特性 线形波 7 规则海浪 波浪变换 折射 反射 绕射 波浪能研究方法 要参考文献 3 章 系统组成、运动形式和工作原理 引言 系统组成 运动形式 能量转换过程 4 章 对 系统 的数学建模、水动力学分析和优化 引言 问题描述与数学模型 理论分析 录 析方法 波浪激励力与水动力学系数计算 分析方法验证 优化 设计 波浪力与水动力学系数 最佳弹簧与最佳阻尼 等效阻尼力 系统 效率 算例 要参考文献 5 章 结论与展望 结论 展望 谢 士期间发表 论文 者简介 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 言 当今世界，能源和环境问题已经成为制约全球社会发展和进步的关键。 能源是国民经济的支柱，是人类赖以生存和发展不可缺少的物质基础，在一定程度上影 响着人类社会的发展。人类历史长河中每一次能源的开发和利用都给人类的生活带来了重大影响。火的发明和使用改变了原始人的饮食习惯，由生食改为熟食。煤炭的发展推动了工业革命的进程，使以煤为燃料的蒸汽机的发明成为工业革命开始的标志。石油的大量开采和利用为内燃机的发展提供了条件，从而促进了交通业的发展，作为世界第一大能源的石油以不可思议的力量彻底改变了人类的生活，已成为所有工业化国家的经济生命线。因此，能源已成为世界各国争夺的战略物资。纵观世界战争历史，在一定意义上就是能源资源的争夺史 1。随着世界经济的发展和人口的 增长，一方面能源需求越来越大，能源供需矛盾日益突出，以石油、煤炭、天然气等不可再生能源为主的能源供给体系已制约着世界经济的发展，现用能源正面临着短期内枯竭的危险，能源问题已成为当代人类社会所面临的 严峻 问题之一。能源既是重要的必不可少的经济发展和社会生活的物质前提，又是现实的重要污染来源，由于燃料的大量使用，对环境已造成了严重的危害，掠夺性的开采，不合理使用、乱砍乱伐已造成物种大量消亡、温室效应加剧、地下水枯竭、土地沙漠化日益严重。人类可生存和发展的空间受到严重威胁。 统能源供应紧张 近几年来， 世界石油价格一路上扬，由争夺石油引起的冲突与战争频繁发生。不可再生的化石能源正在面临枯竭。但世界各国对能源的需求量却越来越大。 2003 年中国的石油消费总量已经超过日本，位居世界第二位（仅次于美国）2。从 1993 年到 2002 年的十年间，中国石油消费量年均增长 远远超过同期世界年均增长 以及 家年均增长 水平。从 1993年开始，我国成为石油的净进口国，在上世纪 90 年代，我国每年净进口增长量不到1000 万吨；而到了 2000 年以后，每年净进口增长量达到了大约 2000 万吨。以每年增长 2000 万吨来看，国内无法弥补这个缺口。因此我国石油对外依赖程度提高已经成为必然的趋势。 2003年，中国石油进口量 9112 万吨，对外依赖程度达到 38； 2010年我国石油对外依存度将达到 44%；到 2020 年，石油的对外依一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 2 存度有可能接近 60%，与目前美国的水平相当。由此可见，我国对国外的能源供应问题非常严峻。 用传统能源对环境造成了严重的破坏 传统能源的广泛使用加剧了全球气候变暖的趋势以及对生态环境造成的破坏 3,4。由温室效应导致的全球气候变暖正逐步溶化北冰洋的 冰山和雪峰，频繁发生在许多国家的洪水和泥石流等恶性自然灾害已经使人们明白到气候和生态的恶化远严重于我们对它的认识。下面以煤为例介绍使用常规化石能源对环境造成的破坏 5。 中国北方多数城市都面临着煤烟型为主的大气污染的威胁，其主要污染物是总悬浮颗粒物 (二氧化硫 (在一些大城市，空气中的 5 倍。究其原因，首先，由于煤在能源结构中所占的比例高，这种以煤为主的能源结构带来了严重的污染。根据世界银行估计，中国 1995 年有 17 8 万人由于大气污染而过早 死亡，工作日损失达 740 万人年。 1） 酸雨 化石燃料燃烧产生的硫氧化物与氮氧化物在排入大气后，同其它物质形成了硫酸和硝酸类物质，并以酸雨、酸雪、酸雾等形式降回地面，统称为酸沉降。酸雨是中国大气污染的另一个重要方面。根据国家环保总局发布的中国环境状况公报， 1998年全国酸雨受害面积已超过国土面积的 30，全国降水年均 间，年均 低于 城市占统计城市数的 华中酸雨区的污染有所减轻，华南酸雨区污染总体格局未变，南方部分沿海城市年均 降低，酸雨频率上升。 根据中国环境科学研究院的报告，酸雨会使农作物减产 5 10。酸雨给中国的生态系统与农业生产带来了巨大损失。 2） 烟雾 煤的燃烧是大气中细小颗粒的主要来源之一。颗粒物同大气中的其它污染物(如氮氧化物、臭氧以及细菌，病毒等 )作用所形成的烟雾对人体健康构成极大的威胁。尤其是大气中的细颗粒物 (直径小于 10m)和超细颗粒物 (直径小于 人体最为有害，因为它们能渗入到肺部深处。在中国北方大多数城市的大气中，颗粒物的浓度很高，远远超过国家规定的空气环境质量二级标准 3） 气候变暖 第 1 章 绪论 3 气候变暖源于某些“温室气体” (特别是 在大气中的浓度的增加，这主要是煤炭等化石燃料燃烧的后果。而且，每生产单位能量，煤炭排放的 最大，温室气体浓度的继续上升，会影响到降水的方式与强度、水与食物的供应、沿海地区的发展、自然系统的生存能力以及人体健康，也可能导致更频繁更严重的洪涝或干旱。 4） 燃煤污染的代价严重 煤烟型大气污染在 人体健康 (尤其是致衰性、慢性支气管炎 )、劳动生产率和农业方面 造成 的损失最大，其代价是严重的。 根据 世界银行估 计 ， 1995 年中国大气和水 (主要为太气 )污染造成的损失约为 540亿美元，占当年 损失十分巨大，因此，如何确定合理的能源政策与环境政策，是一项紧迫的任务 。 展可再生能源 面对能源的潜在危机和生态环境的不断恶化， 太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等清洁无污染的可再生能源作为化石能源的补充品和替代品正在受到全世界的关注。许多国家以立法的形式或在政策上对可再生能源的研究与开发提供保障与支持。如 中华人民共和国可再生能源法已于 2006 年 1 月 1 日起正式施行。这是 中国政府制定的综合性的可再生能源战略，现阶段政府在可再生能源开发利用中起着重要的引导和扶持作用。为可再生能源同常规能源 的生产和利用搭建一个公平的竞争平台，以此引导和激励各类经济主体积极参与各地可再生能源的开发利用。 新能源研发领域呈现盎然生机。本文主要涉及海洋 波浪 能的研究与开发。 内外波浪能研究现状 浪能利用的 主要 技术 海洋波浪能作为一种清洁的可再生能源，长期以来，世界各国投入了大量的人力和财力对其进行研究。在二十世纪七十年代以前，波浪能利用研究的活动主要是波能转换装置的发明。八十年代以后，研究进入了以实用化、商品化为目标的应用示范阶段。较早提出的某些影响很大的装置，如鸭式 6、筏式 7装置研究进展缓慢 ；而振荡水柱（ 波能系统成为主攻方向。从 1984年以来建成的大部分装置都是振荡水柱式波能装置，如挪威 500式波能装置 8，英国的75式波能装置 9，英国的 500式波能装置 10，葡萄牙 500式波能装置 11，欧共体的 12，日本 漂浮式波能装置 13，印一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 4 度 150箱式波能装置 14，中国 320式振荡水柱波力电站 15,16以及10017。 常见的波浪 能转换装置形式主要有收 缩 坡道式、振荡水柱式、摆式、漂浮体式及以上述形式 为基础而改进的波能装置等 18，如下图 1： 图 1：几种常见的波浪能装换装置 外波浪能研究现状 国外波浪能研究进展比较快且建成了比较新颖的大型实体。下面将近几年出现的波浪能研究装置进行简单的介绍。 1） 9， 20 近十多年，固定式 波浪能 转换 装置 多 采用振荡水柱技术。 2000 年 英国s 在 苏格兰 的 成 了 荡水柱式波浪能电站，如下图所示。该电站采用固定于岸边的气室采集波浪能，通过爆破在气室前面形成了前港，以增强惯性聚波效应；通过 屏将 波浪能转换成机械能，再通过 发电机 将波浪能转换成电能。该电站装机容量为 500已 向国家电网供电。 第 1 章 绪论 5 2） 1,22 苏格兰海洋能传输公司承建的 种海蛇的名字） 波能装置，由一系列铰链连接的圆柱形浮体组成。浮体随波浪的起伏做升 沉运动，浮体与浮体连接处有拉伸或压缩的力作用在铰链处的液压系统上，液压缸泵压液压油，经由能量缓冲系统驱动液压马达做功发电。每个节点产生的电能汇集后通过海底电缆送到岸上。 2003 年 12 月，苏格兰海洋能传输公司工作人员完成了全尺寸 2004 年 4 月 置实验成功。同年 6 月，美国波浪能转换领导组评估该装置处于世 界领先水平。 该公司现已与葡萄牙一集团签订了首期生产三套 750KW 浪能发电装置的合同。近期就会下线组装。 图 3： 图 4：全尺寸 3） 3,24 由六个成员国参与研究的欧洲合作项目 一种浮动结构，其用图 2 站 一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 6 一对弧形反射器聚集波浪，波浪越过斜坡冲到收集平台，这些水流汇集后再冲击低水头透平。 全尺寸的装置体积庞大，其反射器臂长达 227 米。 2003 年三月水进行组装实验，其平台重 111 吨，反射器臂重 300 吨。 从 2003年四月开始， 行 了 为期三年的试验。 图 5： 4） 5,26,27 一家苏格兰公司 研制的 一种全沉没的波力发电装置，其主要由两部分组成，下部浮筒系泊于海底，上部浮体在波浪的作用下上下运动，两者分别装有磁铁和线圈，可垂直运动的上端浮筒与系泊于海底的下端浮筒之间将产生相对运动，该相对运动产生导体切割磁力线的效果，即该相对运动产生电能。 图 6： 上工作示意图 图 7： 第 1 章 绪论 7 5） 8 制的 一种离岸式波力发电装置， 该装置利用 两项专利技术： 体技术和 术， 体技术 是经过证实安全耐用的浮体技术。 段软管间有活塞隔开，当波浪上下运动时，浮体软管在拉力作用下排挤软管内海水做功。众多的 连接在一起 ， 锚固在离岸几公里的波浪能量密集处。 图 8： 6） 9 美国海洋能技术公司开发的漂浮式波力发电系统 一种灵活的波浪能 转换装置。 其 上端浮体随波上下运动，带动一套类似活塞机构驱动发电。发出的电经由海底电缆输送出去。 该装置内装有先进的控制和监视系统，装置各个部分的运行状况和海上环境的变化可 实时 向岸边传输，当来波过大时，控制系统将自动锁上装置，使其停止工作；当波况恢复到工作条件 时 系统自动解锁，装置恢复工作。 一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 8 图 9： 7） 0 丹麦近期研制出的 浪被引入 其腔体内的 螺旋槽， 螺旋槽容积逐渐变小， 由此产生的 急速涡 流推动透平机 做功 。 1:5 模 型自 1999 年中期开始已经在日德兰半岛进行试验。 2001 年 9 月多重丹麦进行了测试， 2002年 9月至 2003年 4月 日本进行了测试。 图 10： 国波浪能研究现状 我国波力发电技术研究始于 780 年代以来获得较快 发展 31，航标灯第 1 章 绪论 9 32,33微型波浪发电装置已趋商品化，现已生产数百台，在沿海海域航标和大型灯船上推广应用。在珠江口大万山岛上研建的岸边固定式波力电站，是我国第一座波力电站 34,35,36，其装机容量 3千瓦， 199O 年已试发电成功。 “ 八五 ” 科技攻关项目总装机容量 20 千瓦的岸式波力试验电站和 8 千瓦摆式波力试验电站，均试建成功。总之，我国波力发电虽起步较晚，但发展很快。微型波力发电技术已经成熟，小型岸式波力发电技术已进入世界先进行列。但我国波浪能开发的规模远小于挪威和英国，小型波浪发电距实用化尚有一定的距离。 中国 3 式振荡水柱波力电站是中国科学院广州能源研究所在珠海市大万山岛建成的一座示范波力电站 34,35,36。装机容量 3 是中国第一座试验波力电站。该 电站建于一块巨大的岩石上，于 1986 年开工建设，主体混凝土结构完工于 1989 年。 1989 年、 1990 年及 1991 年分别对其做了三次海上运行试验，研究了实海况下气室、透平及电机的性能。试验结果表明，该电站具有很好的实海况性能。 电站的设计波况为 0 1.5 m，平均周期为 6.5 s。设计来波平均功率为 4.4 m。气室宽 4 m，长 3 m，与开口宽 6 m，长 6 平 叶型为 0021，叶片数为 10。电机转速为 1500 气室与 平之间装有一个安全 控制蝶阀。在实海况运行试验中，利用广州能源研究所研制的测量系统得到电站的各种参数计录，包括水往运动，气室压力， 平的转速及电机的输出功率等。波况由位于电站前方 400m 远处的国首座波力电站具有良好的能量转换性能。增大装机容量可以获得更大的平均输出功率。实海况试验同时也反映了电站存在着可靠性和安全性方面的问题。由于气室顶到平均海平面的距离太小（约 5m），水柱容易直接打击透平和电机，电站缺乏长期运行的能力。这些问题已在新建造的 20力电站中得到改善。中国 20 式振荡水柱波力电站是在 3力电站的结构上建造的，广州能源研究所已于 1996年 2月完成了 20力电站的建造。该电站为“八五”攻关项目，得到了国家科学技术委员会的支持。 20的是展示波浪能的实际应用。出于安全方面的考虑，设计了一个带有破 浪锥的过渡气室及气道，将机组提高到海面上约 16大减小了海浪对机组直接打击的可能性。发电装置为一变速恒频电机。发出的电与柴油发电机联网。试验的结果表明， 20 力发电机组在 0 1.5 m，平均周期 T=5 6 s 时的电力平均输出 为 5 值功率可达 14.5 能量平一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 10 均俘获宽度比约在 20 40的范围，优于日本、英国和挪威的同类电站。 中国 100 式波力电站 17,37,38是一座 岸式振荡水柱型波能装置 ，建于广东省汕尾市遮浪镇最东部。 100 式波力电站的研建为科技部“九五”科技攻关项目。 其工作原理为波浪推动气室内水柱的上下运动，带动气室内的空气做往复运动，驱动冲动式空气叶轮，再驱动电动机，从而将波浪能量转换成电能。所有能量转换过程无需其它能源的辅助，不产生任何污染，不对海洋生物以及包括人类 在内的陆地生物造成任何不良影响。电站包括气室主体结构、冲动式空气叶轮、电机。其中气室为圆锥台型钢筋混凝土结构， 高 14m；机为 100步电机，并网发电。 项目开始于 1996年 12月，工程结束于 2001年 2月。 经过一年的运行，发现系统存在着自身能耗大（ 9发电系统抗浪能力弱（系统在大于 3 米的浪作用时跳闸保护）等问题，导致系统在小浪时发 图 11：汕尾100式波力电站外观 电量小于耗电量，在大浪时超出电机容量，系统的工作浪况范围较小 ， 在有义 波高 2002年 对电站做了第一次技术改造：在叶轮和电机之间加了超越离合器、安全耦合器、弹性联轴器，目的是降低能耗，降低大浪对发电系统的冲击。 本次 改造结果良好，使得系统的自身能耗降低到 5统抗浪能力加强（可以耐受 工作浪况扩大到有义波高 之间。 2003年台风“杜鹃”在汕尾登陆，气室入口被一块 2米高、 6米宽的石块堵住，电网也遭到破坏，电站停止运行。结合“十五” 863 项目， 广州能源所 于 2004 年对电站做了第二次 技术改造，在叶轮和电机之间加了三个液压泵（ 2台定排量 125， 1台变排量117，额定转速 1000大功率 70以及 10系统改造成无自身能耗、稳定发电的独立发电系统，进一步将系统的工作浪况扩展第 1 章 绪论 11 至有义波高 0米 。 2004年 12月实海况试验系统平稳输出 6电质量达到城市居民用电水平。 图 12：汕尾 100式波力电站第一次改造后实海况发电纪录（时间 ： 21/2/2003， 均值 11值 80 图 13：汕尾 100式波力电站第二次改造后实 海况发电纪录（时间 :18/3/2005， 均值 值 目前该电站输出 稳定 ，可并网运行，也可以独立运行；结构能抵抗 50 年一遇台风；正常工作寿命为 15 年。在十一波高 13m，平均周期 57s 时，平均发电功率 540 大发电功率 50 于系统平稳输出，故发电峰值下降）。 100 荡水柱 波力电站的研建，使 我国 大型波能装置的设计、建造 、保护等各方面能力均有较大程度的提高，推进了波能装置的实用化进程，使 我国的波能转换研究基本达到国际同时期的先进水平。 中国 100波力电站是一套独立发电系统。该系统依靠振荡浮子来提取波浪能 。 来浪时， 波浪力推浮子沿运动滑槽向上运动； 波浪退去时，浮90 340 390时间(秒)发电功率(瓦)0 30 40 50 60 70 80时间(s)电功率(种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 的设计与水动力学分析 12 子依靠重力沿滑槽下落，并通过牵引锚链带动岸上的液压机构，产生 不平稳的 液压能 ； 该液压能经过蓄能稳压系统后平稳输出，通过液压马达驱动电机，得到平稳的 电 能。该振荡浮子系统与振荡气柱式波浪能发电装置相比，转换效率有大幅度提高 。该项目 2003 年开始海上土建施工， 2005年下半年进行了系统设备安装，2006 年四 月项目组完成了对系统的细节改造， 进行了实海况独立发电实验， 在无电网和其他发电设备的情况下， 系统 独 立运行发电 （见图 14） ，并 为蓄电池组充电 ，系统控制所需的电力由蓄电池 在很小的浪 况 下平均功率仍可达到 3实海况试验表明 系统转换效率很高 。 文主要工作 海洋波浪能是一种清洁无污染的可再生能源，成功且高效率的利用波浪能为船舶导航、为海上科研做定点标记和为海上军事设施提供电力是当前各国开发小型波浪能装置的主要目的。 漂浮式 波浪能发电系统是离岸开发海洋波浪能之众多形式中的一种。由于液压系统 在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑， 且 液压传动的各种元件可根据需要方便、灵活地来布 置 。现 设计一种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 ， 主要为用电量较小的离岸海洋设备提供电力，设想 该 系统 一旦投放海洋，即可 利用海洋波浪能 做功发电，且不需要经常性的维护。本文着力于研究这种 漂浮式 波浪能液压发电 系统 。并按照以下章节顺序进行研究和讨论。 在 第二章 中讨论了 波浪能基本知识 和研究方法 。波浪能转换技术基本知识图 14：振荡浮子式波浪能独立发电系统发电纪录 S i t e T e s t G e n e r a t i n g R e c or d 独立发电3：010100020003000400050006000111 21 31 41 51 61 71 81 91101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 221 231 241 251 261 271(s)(W)第 1 章 绪论 13 是研究波浪能转换装置的基础，只有对波浪有较多的认识和了解，才能从分利用波浪特性，提高波浪能装置提取波浪能的能力，设计出最佳的波浪能吸收 系统 ，并对转换出的能量进行贮存或输送。本章分别简单的对波浪的生成、波浪特性、波浪 变换形式 和现代研究波浪能的数学方法 进行 简单 介绍。 第三章 阐述了本波能 系统组成、运动形式和工作原理 。 本文 所研究的系统最终要实现的是从波浪能到电能的转换，波浪能是 能量源 ，电能是 最终转换结果 ，上述转换过程中 有一些中间转换环节。不同的转换环节需要