（流体力学专业论文）浮子式波浪发电装置设计及其功率特性研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e e0 d e s i g no f f l o a t - t y p ew a v ee n e r g yd e v i c e a n dr e s e a r c ho fp o w e rc h a r a c t e r i s t i c s c a n d id a t e ： m e n gy a n g s u p e r v i s o r ：r e s e a r c h e r z h a n gl i a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： f l u i dm e c h a n i c s s p e c i a l i t y ：c o l l e g eo fs h i p b u i l d i n ge n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一一7， 作者( 签字) ：蚴 日期： 批年岁月1 1 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：蚤孝勿 日期：跏c o 年月i1 日 导师( 签字) ： p 年弓月f 日 芗龟乙 f、卜 (o 哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 波浪能是海洋能的重要成员之一。近年来，在海洋能利用的研究领域中， 波浪能及其利用技术和装置的研究最多、政府和企业投资的项目也最多。波 浪能开发利用技术趋于成熟，正在向大规模的利用和独立稳定发电的方向发 展，已逐渐进入了商业化发展的阶段，并具有一定的商业竞争能力。然而， 在近岸波浪能密度比较小的海域，研究和发展高效和高可靠性的离岸式波能 装置属于热点领域。 本文在研究和阐述波浪发电装置的研究进展的基础上，分析国内波浪能 转换装置现有技术，结合我国沿海海域波浪能密度较低的特点，提出一种新 型的浮子式波浪发电装置，开展概念设计、浮子的水动力特性、运动特性以 及发电系统功率特性研究。 ( 1 ) 利用牛顿第二定律，建立并求解浮子在垂直方向运动的位移方程。 分析研究了阻尼系数，得到浮子的运动特性，从而优化发电装置的结构尺寸， 以达到发电功率最大化。 ( 2 ) 采用f r o u d e k r y l o v 理论计算垂向波浪力，并对浮子进行动态受力 分析，优化浮子的结构尺寸，对f r o u d e k r y l o v 系数进行讨论，并确定了计 算中用到的各项系数。 ( 3 ) 针对装置底部采用的铰接固定形式，对结构受到的横向载荷以及在 受到波浪力和海流力联合作用时候的横倾角进行了计算。 ( 4 ) 讨论了装置的几何尺寸与结构受力以及运动响应之间的关系，对管 道直径等几何尺寸进行了优化设计，对浮子的起伏位移、波浪发电装置的总 能量以及装置的发电功率进行了计算。 本文研究的发电装置为我国日后波能装置的商业化打下了理论基础。 关键词：浮子式；波浪发电装置；f r o u d e k r y l o v 理论；铰接形式 -卜- 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a v ee n e r g yi sa ni m p o r t a n ta s p e c to fo c e a ne n e r g y i nr e c e n t l y , w a v ee n e r g y w h i c hh a sb e e nt h em o s ts t u d i e di st h em o s tv a l u a b l es o u r c eo fe n e r g yw h i c hi s t h el a r g e s tg o v e r n m e n ti n v e s t m e n tp r o j e c t si nr e s e a r c ho fo c e a ne n e r g yu t i l i z a t i o n a tp r e s e n t ，t h et e c h n o l o g yo fw a v ee n e r g yd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o nw h i c hi s b e c o m i n gm o r em a t u r eh a se n t e r e dt h es t a g eo fc o m m e r c i a ld e v e l o p m e n ta n dh a s ac e r t a i nd e g r e eo fb u s i n e s sc o m p e t i t i v e n e s s i tw i l lb ed e v e l o pt oal a r g e - s c a l e u s ea n dad i r e c t i o no fp o w e rg e n e r a t i o nw h i c hi si n d e p e n d e n ta n ds t a b l e h o w e v e r , i nt h ea r e a 、析n ll o ww a v ee n e r g yd e n s i t y , r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe f f i c i e n t a n dh i g h l yr e l i a b l eo f f s h o r e - t y p ew a v ee n e r g yd e v i c ei sah o ta r e a ia n a l y z e dt h et e c h n o l o g yo fw a v ee n e r g ya n dd e s c r i b e dt h es i g n i f i c a n c eo f t h ew a v ee n e r g yd e v i c ew h i c hw a sb e i n gs t u d i e da sw e l la st h r o u g ha n a l y s i so ft h e s t a t u sq u oo fs t u d y i n go ni ta th o m ea n da b r o a d ，f m d i n go u tt h es u i t a b l ef o r mo f t h ew a v ee n e r g yd e v i c ei nc h i n as e aw h i c hi sc h a r a c t e r i z e d b yl o ww a v ee n e r g y d e n s i t y f i n a l l yip r e s e n tan e wt y p ed e v i c eo ff l o a t - t y p ew a v ee n e r g yd e v i c et o c a r r yo u tc o n c e p t u a ld e s i g n ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o a t ，m o t i o nf e a t u r e s a n dp o w e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a v ee n e r g yd e v i c e t h em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o nc o v e r e dt h ef o l l o w i n gp o i n t s ： ( 1 ) u s et h en e w t o n ss e c o n dl a wt os o l v et h ed i s p l a c e m e n te q u a t i o n so ft h e f l o a tm o v e m e n ti nav e r t i c a ld i r e c t i o n t h r o u g ha n a l y z et h ed a m p i n gc o e f f i c i e n tt o f r e do u tt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o a ti no r d e rt oo p t i m i z et h es t r u c t u r a l d i m e n s i o n so ft h ew a v ee n e r g yd e v i c e ( 2 ) u s et h ef r o u d e k r y l o vt h e o r yt oc a l c u l a t et h ew a v ef o r c ei nv e r t i c a l a n d t h r o u g ht h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h ef l o a t ，o p t i m i z et h es t r u c t u r a ld i m e n s i o n so f t h ef l o a t t h ef r o u d e k r y l o vc o e f f i c i e n ti sd i s c u s s e da n dt h ev a r i o u sf a c t o r s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w h i c ha r eu s e di nt h ec a l c u l a t i o na r ei d e n t i f i e d ( 3 ) f o rt h ed e v i c e su s e da f i x e df o r mo f h i n g e da tt h eb o t t o mo ft h es t r u c t u r e ， w ec a l c u l a t et h el a t e r a ll o a da n dt h ea n g l eo fh e e lw h e nw a v ep o w e ra n do c e a n c u r r e n tp o w e rc o m b i n e da c t i o no nt h es t r u c t u r e ( 4 ) d i s c u s st h er e l a t i o n s h i pw i t ht h ed e v i c eg e o m e t r ya n dt h ef o r c eo n s t r u c t u r ea sw e l la sm o t i o nr e s p o n s e s t h es i z eo fg e o m e t r i e s ，a sd i a m e t e ro ft h e p i p e ，h a sb e e no p t i m i z e dd e s i g n ；t h ed i s p l a c e m e n to ff l o a tu p sa n dd o w n s ，t h e t o t a le n e r g yo ft h ew a v ep o w e rd e v i c e ，a sw e l la st h ep o w e ro ft h es t r u c t u r eh a s b e e nc a l c u l a t e d i nt h i s p a p e r , t h ea n a l y s i so fw a v ep o w e rg e n e r a t i o nl a i dt h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h ec o m m e r c i a l i z a t i o no fw a v e e n e r g yd e v i c ei nc h i n a k e yw o r d s ：f l o a tt y p e ；w a v ee n e r g yd e v i c e ；f r o u d e k r y l o vt h e o r y ；h i n g ef o r m r卜olll， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 背景和意义1 1 2 研究现状4 1 2 1 国外研究动态4 1 2 2 国内研究动态8 1 3 问题的提出k 9 1 4 本文工作要点一lo 第2 章浮子式波浪发电装置设计”1 1 2 1 波浪能的转换“1 1 2 1 1 第一级转换1 1 2 1 2 中间转换1 2 2 1 3 最终转换1 3 2 2 发电装置的工作原理1 4 2 3 发电装置系统的结构形式1 5 2 4 发电装置的运动特性1 8 2 4 1 受力分析18 2 4 2 运动方程求解19 2 4 3 运动特性分析2 2 2 5 本章小结一2 7 第3 章发电装置垂向波浪载荷分析2 8 3 1 波浪载荷分析2 8 3 1 1 波浪力算法的分类2 8 3 1 2 波浪力算法的适用条件2 9 r p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 3 波浪力算法的选取3 1 3 2f r o u d e - k r y l o v 力31 3 2 1f r o u d e k r y l o v 理论假定31 3 2 2 垂向波浪力的计算3 2 3 3f r o u d e k r y l o v 力的系数3 6 3 4 本章小结3 9 第4 章发电装置横向波浪载荷分析”4 0 4 1m o r i s o n 方程4 0 4 1 1m o r i s o n 方程的标准形式4 0 4 1 2 空间斜杆的m o r i s o n 方程的一般形式4 6 4 1 3 流体动力系数的讨论5 0 4 2 海流载荷- 5 8 4 2 1 海流对结构的影响“5 9 4 2 2 海流速度6 0 4 2 3 海流力6 2 4 2 4 波浪与海流的联合作用6 3 4 3 铰接形式下发电装置的的运动分析6 4 4 3 1 风流作用下的静倾计算6 4 4 3 2 水平波浪力的计算6 7 4 3 3 发电装置的运动响应6 9 4 4 本章小结”7 2 第5 章发电装置功率特性分析7 3 5 1 发电装置参数优化”7 3 5 1 1 发电装置起伏位移7 3 5 1 2 阻尼系数的选取7 4 广i， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 5 2 波浪的总能量计算7 5 5 2 1 波浪的势能7 6 5 2 2 波浪的动能7 7 5 3 发电装置的总能量计算7 8 5 4 发电装置的功率计算7 9 5 5 本章小结8 1 结论8 2 参考文献8 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 8 致谢一8 9 r0iir 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 背景和意义 第l 章绪论 我们所说的海洋能源通常指的是海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主 要包括潮汐能、波浪能、海流能( 又叫潮流能) 、海水温差能和海水盐差能等 等。这些都是与海水有关系的自然能源。而实际上，更为广义的海洋能源还 应该包括例如海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等非海 水能源h 1 。上述的这些能源，究其成因，除了潮汐能和潮流能是来源于太阳 和月亮对地球的引力所产生的变化以外，其他形式的能源基本上都是源于太 阳的辐射。 为了保证人类所需要的能源能够得到稳定并且持久的发展，世界各国均 在努力的使能源结构从单一的常规能源向多种新能源过渡。2 0 多年来，作为 主要的可再生能源之一的清洁的海洋能事业取得了很大的发展。随着石油价 格的不断上涨，矿物燃料的逐渐缺乏，能够有效的提取自然界中的可再生能 源波浪能，日益受到沿海各国的高度重视心1 。波浪能是近期研究最多、 政府投资项目最多并且最重视的一种能源。目前，波浪能开发利用技术趋于 成熟，已进入商业化发展得阶段，并具有一定的商业竞争能力，且将要向大 规模利用和独立稳定发电的方向发展。波浪发电是波浪能利用的主要方式， 它可以为边远的海岛以及海上的设施等提供清洁的能源。除此之外，波浪发 电装置还可以利用波浪能提供的动力进行海水淡化、从深海提取低温海水进 行空调制冷以及制氢等。随着波能利用技术在实用化方面的日渐成熟，相信 波浪能利用会有更新的发展，并在新能源利用这个领域占据一席之地口1 。 科学家们为了寻求将波浪能有效的转变为电能的方法，已经付出了巨大 的艰辛。在上个世纪6 0 年代以前，波浪能利用研究的活动范围主要是波浪能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转换装置的发明，波能技术的专利已超过1 0 0 0 多项。不过这些技术大都源于 五种基本思想，即：起伏体和纵摇体；空腔共振器；压力装置；浪涌能量转 换器和粒子运动转换器。6 0 年代初，日本的益田善雄先生研制成功了航标灯 用的波浪发电装置，开创了波能利用商品化的先例。 到了7 0 年代，在全球石油危机的巨大冲击下，寻找新的能源来替代传统 能源开始受到了人们的重视。以英国、挪威、日本、美国为代表，他们对众 多的波浪能转换为电能的原理进行了比较全面的研究和分析，筛选出了几种 比较有前途的波浪能转换方案，并且还大胆的提出了许多种富有创造性的新 设计和新概念。其中较为著名的有鸭式和随波筏式装置，水下透镜以及对称 翼型透平( w e l l s 透平) 等等。 8 0 年代以来，波浪能的利用研究进入了以实用化、商品化为目标的应用 示范阶段，并且基本建立了波浪能装置的设计理论和建造方法。海洋工程中 的锚泊系统结构、海底电缆的铺设以及造船和港口工程技术等都成功地应用 到了波浪能技术中去。研究的课题也逐渐的集中到了几种有效的方案上，其 中振荡水柱( o w e ) 式波浪能装置吸引了大多数波浪能工作者的眼球，并且在此 之后又提出了很多种关于振荡水柱式的浪能发电装置的新概念。 经过了十几年的研究，了解到在近期内波浪能发电在投资和成本方面仍 然难以和常规能源竞争。研究目标也开始由初期的大规模利用转向小型化使 用，为海岛和海上设施提供能源。近年来，随着波浪能转换技术的日趋成熟， 以及在实用化方面取得的各项进展，加之在海湾战争的影响下对新能源的重 新重视，以日本为代表，波浪能的研究热情又出现了回升的迹象。可以相信， 经过了周期性的波动之后，波浪能利用一定会有新的发展，并且在海洋工程 和新能源利用领域占有一席之地h ，。 英国一项关于专利的研究表明，已发表的各种提取波浪能的装置有几百 种。近几年，许多国家仍在不断地提出新方案，设计出更有效的波能转换装 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置。在一些发达国家，波浪能转换器的设计是着眼于发展大型波浪发电装置， 但这中间有大量的技术问题和经济问题需要解决。到目前为止，还没有一个 发达国家能够建立起大型的波浪能转换系统。据悉，日本将要改装“海明” 号波浪发电装置，改装后的“新海明”号长1 l o 米，宽1 5 米，每个波浪能转 换装置的输出功率为2 5 0 - 5 0 0 千瓦，总的输出功率将达到2 0 0 0 千瓦以上。该 装置若能够研制成功，将可以视为较大型的波浪发电装置。我国对波浪能发 电装置研究的主要对象是用于航标灯上的小型气动波能转换器。目前，1 0 千 瓦量级的气动发电装置已经通过了鉴定，可以开始小批量的生产。另外有一 些国家则考虑到自身缺乏必要的人力，财力资源和必不可少的技术手段，从 而对利用波浪能不抱有太大的希望昭1 。 近年来，随着环境与能源问题的日趋严重，海洋能利用的前景更加光明。 我国的海洋能资源比较丰富，单纯的从技术层面上来说，可利用的可再生波 浪能的功率达到了4 0 0 , - - , 5 0 0 吉瓦，波能在未来的十年内很有可能达到目前风 能的水平。 海洋能的利用在国外的市场也十分的巨大。我国在海洋能的国际合作与 技术出口方面已经有了良好的基础与开端，完全有条件将海洋能技术发展成 为外向型的技术。我国的波浪能发电装置已经开始向日本等国家输出，潮汐 能的技术输出项目也在洽淡之中。因此，不能仅仅以静态和片面的观点来看 待海洋能，以波浪能为例，我国的波浪能资源仅仅属于中等水平。尺寸相当 的波浪能发电装置，在北欧的一些波浪能相对丰富的海域，输出功率可以是 我国的几倍。另外再考虑到我国在制造业和工程方面的成本较低，在国内尚 难推广的装置完全有希望打入国际市场。十年前，如果我们能更准确地判断 和分析风能市场的发展趋势，也许我们现在已经可以到国外去争夺风能市场， 而不是国外风机来争夺中国得市场。目前波浪能的情况又与此相似。因此， 应该从现在开始加速发展外向型波能装置，从国外的使用与技术要求出发， 随着科学技术的进一步发展和新材料的不断问世，新的波浪能发电技术会更 加的有效，人类会享受到更多的无污染的能源。 1 2 研究现状 1 2 a 国外研究动态 波浪能发电装置最早是在1 7 9 9 年由一位法国人发明的。1 9 7 3 年的石油 危机，让世界各国对波浪发电又进一步的重视起来。英国、法国、挪威等国 家是研究和开发波浪发电装置的先锋。后来，美国、加拿大、日本、澳大利 亚、瑞士以及现在的印度也陆续开始了波浪发电的系统性研究和开发活动旧1 。 以下为世界近期的十三种波浪能转换技术，如表1 i 所示。 英国具有世界上最好的波浪能资源。从7 0 年代以来，他们就把波浪发电 研究放在新能源开发的首位，投资1 7 0 0 多万英镑用来研究波浪能装置，使英 国在波浪能发电技术方面处于世界领先地位，在8 0 年代初就已经成为世界波 浪能研究中心。于1 9 9 0 年和1 9 9 4 年分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成 了7 5 k w 和2 万k w 振荡水柱式和固定式岸基波浪电站口1 。由英国国家工程 实验室( n e e ) 研制的蜗形中空风箱泵式海浪发电机，近期在苏格兰的奥特希 布莱外海上安装发电，装机容量达1 1 万k w 阳1 。目前英国正在致力于威尔斯 气动透平的利用、原型波浪发电机组、导航浮标的波浪透平发电机组及小型 波能转换器等的研究，世界上第一台商用的波浪发电机已于1 9 9 5 年8 月在英 国克莱德河口海湾发电，装机容量2 0 0 0 k w 。英国5 0 0 k w 岸式波能装置l i m - - p e t ( l a n di n s t a l l e dm a r i n e - - p o w e r e de n e r g yt r a n s f o r m e r ) 2 0 0 0 年1 1 月在苏 格兰i s l a y 岛建成，站址处波能功率密度为2 5 k w m ，目前已发电上网。 4 一 ， - i r 哈尔滨工程大学硕十学位论文 表1 1世界近期波能转换技术统计表 编 设备名称研制单位最大发电量场地 号 丹麦， c o p e n 。h a g e n o r e s u n d ( 厄勒 1l ( n 系统b h o j l a n dl k w ，样机 海峡) r a s m u s s e na s 公司 软管泵式( h o s e 瑞士，g o t h e n b u r g 3 0 k w 、样机 2g o t a v e r k e n 能源 v i n g a 岛外 p u m p )( 1 ：3 浮体) 公司 美国麻生波能公 波能组件式( w a v e司批准的加拿大c h a m p l a i n 湖 3 l k w ，样机 e n e r g ym o d u le ) n o r d - c o( 香普兰湖) 有限公司 筏式( c o n t o r i n g美国，海洋能 41 ：1 5 ，模型波浪槽 r a f t )总公司 点头鸭( n o d d i n g 5英国，爱丁堡大学1 ：1 0 ，模型l o c hn e s s d u c k ) 串联折页( t a n d e mm i c h i g a n ( 密 6美国，q 总公司2 0 k w ，样机 f l a b )执安) 海王星系统( n e p t u n e澳大利亚国际波 71 ：1 2 ，模型波浪槽 s y s t e m )能公司 5 哈尔滨工程大学硕七学位论文 多谐振荡水柱式 5 0 0 0 k w ，实 ( m u l t i r e s o n a n t挪威，k r a e r n e r 8验站( 实尺t o f f t e s t ll e n o s c i l l a t i n gw a t e rb r u ga s 公司 度电站) c o l u m ) 日本，东京 日本海和三河 9后向弯管浮体( b b d b ) r y o k u 。s eis h al ：1 0 ，样机 湾 总公司 英国，英格兰海洋 1 0海蚌式( s e ac l a m )1 ：i 0 ，模型l o c hn e s s 能联合有限公司 模型管式( t a n e r z e d挪威，n o r w a v e 3 5 0 k w ，实验 1 1 用实尺度发 t o f f t e s t l l e n c h a n n e l )a s 公司 电站 波能淡化系统( w a v e美国，2 5 0 加仑 1 2p o w e r e di s ti - d el a w a r e日，实尺度m a g u e y e s 岛外 d e s a l i n a t i o nb u o y )公司浮体 3 0 0 k w ，1 ：6 模型，预计 1 3摇板式( p e n d u l o r )日本日本，室兰 成本1 9 日 元k w h 美国的波浪能研究涉及气动波能转换系统、平行盘波浪能模件、串连活 板系统以及随波筏链式装置等等。最近，由美国能源部技术研究所研制的岸 上、离岸波浪发电系统，将海水挤压到岸上蓄水池，再以水力发电，发电容 量可达4 1 4 k w 眵1 。美国海洋能技术公司近年来一直致力于研究一种新的波能发 电系统。据报道，他们已成功地研制出一种压电聚合物在被海洋波浪拉伸时 产生电能的方法，这种方法可望替代普通的波浪能发电系统。普通的波浪能 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是利用海水的上升和下落运动来使浮标带动腔室上下移动，或驱使 涡轮机发电。但这种方法的最大缺陷是涡轮机和复杂的机械部件容 腐蚀而生锈。而压电波浪能发电系统，使用的压电聚合物条带被固 定在海底与海面的一个浮标之间。受海浪冲击时被拉长而产生电力，然后输 送到岸上，该方法可以克服普通波浪能发电系统存在的缺陷，并且已经得到 了世界的公认。据悉，美国海洋能技术公司已同日本五洋工程建筑公司达成 协议，由该公司资助在墨西哥湾修建一座压电聚合波能发电站。 挪威于1 9 8 5 至1 9 8 6 年，在b e r g e n 市附近的t o f t e s t a l l e n 岛建立了一 座装机容量为5 0 0 k w 的振荡水柱式波浪发电站和一座装机容量为3 5 0 k w 的喇 叭口收缩波道式的聚波水库波浪电站( 其中5 0 0 k w 电站在3 5 0 k w 电站以北约 l o o m 处) 。这两座电站是挪威在8 0 年代中、后期成为国际波能领域领头国 家的标志。5 0 0 k w 电站在1 9 8 8 年1 2 月的一次强风暴中被破坏，钢结构部分 全部被打入海中，后来也没有修复口1 。在9 0 年代初又建造了一座容量为一万 千瓦的波浪电站，均已达到商业应用程度，另外还先后与印度尼西亚和澳大 利亚签订协议为这两个国家各建一座容量为1 4 0 0 k w 的波浪电站盯1 。 日本的波浪能研究与开发也十分的活跃。它的十多家研究与开发机构既 有明确的分工又能有效的协调，并且重视技术向生产应用的转化研究，使日 本在波浪能转换技术实用化方面走在世界的前列。它从8 0 年代中期至今已经 建成了四座岸基固定式和防波堤式波浪电站，单机容量为4 0 ，- - - 1 2 5 k w n0 | ，其 中最有名的是8 0 年代初建造的“海明”号波浪能发电船，研究在长8 0 m ，宽 1 2 m ，由1 3 个振荡水柱气室组成的船型漂浮式结构上进行，安装1 0 台单机功 率为1 2 5 k w 的发电机，总装机容量达1 2 5 0 k w ，特别适合于“离岛的自给电源”。 为克服“海明”号的缺陷，日本的海洋科学技术中心( j a m s t e c ) 于1 9 8 7 年组 织了一项耗资1 0 亿日元，名为“巨鲸 ( m i g h t yw h a l e ) 的波浪发电装置研究 开发计划，经过理论研究和模型试验，该装置于1 9 9 7 年末在三重县五所湾离 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 岸海域下水，1 9 9 8 年9 月开始持续两年的实海况试验，从试验情况来看，装 置的各部分工作正常，最大的总发电效率为1 2 n 。该装置不仅能吸收波浪 能发电，具有独立能源平台的功能，还可以起到平稳波浪的作用，有利于海 洋开发。日本当前容量最大的设备是1 9 9 6 年9 月投运的由日本东北电力公 司在原町火电站南部防波堤上装设的1 3 0 k w 波浪发电设备n 别。 瑞典在1 9 8 3 - 1 9 8 4 年进行了3 0 k w 软管泵原型装置的现场试验，并且在西 班牙大西洋岸外建立了一座1 0 0 0 k w 的波浪示范电站。 印度已经宣布从1 9 9 0 年开始实施一项波浪能发展的六年计划，包括在马 德拉斯附近建一座容量为5 0 0 0 k w 的离岸波浪电站，目前正在特里凡得琅港 ( t r i v a n d r u m ) 附近建一座使用威尔斯透平发电机的1 5 0 k w 示范波浪电站。 据不完全统计，目前已经有2 8 个国家( 地区) 研究波浪能的开发，建设大 小波浪电站( 装置、机组或船体) 上千座( 台) ，总装机容量超过8 0 万k w ，其 建站数和发电功率分别以每年2 5 和1 0 的速度上升n 3 1 。 1 2 2 国内研究动态 我国的波浪发电技术研究始于上个世纪7 0 年代，于1 9 7 5 年研制成了一 台1 k w 的波浪发电浮标，在浙江省嵊山岛进行了试验。8 0 年代以后获得了较 快的发展，1 9 8 4 年广州能源所研制成功了六瓦小型波浪发电装置，用于导航 灯标，随后按不同导航灯标的要求，又开发了系列产品。目前在我国沿海航 线已安装了数百台这种小型波浪发电装置。与日本合作研制的后弯管型浮标 发电装置，已经向国外出口，该技术属国际领先水平。 中国第一座试验波浪电站位于珠海市大万山岛，1 9 8 9 年试建成功，装机 容量为3 k w 的振荡水柱型沿岸固定式波浪电站。在1 9 8 9 年，1 9 9 0 年以及1 9 9 1 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。波浪电站的平均“总效 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率 大都在1 0 , - 一3 5 ，最大值接近4 0 。在该电站原有结构基础上，广卅i 能 源研究所已经将其改建成为一座2 0 k w 波浪电站，并于1 9 9 6 年2 月试发电成 功，逐步完善后将向岛上提供补充电源n 钔。 中国科学院广州能源研究所自1 9 8 9 年开始对后弯管波浪发电装置进行 研究与开发以来，5 k w 后弯管波浪发电装置研究经历了浮体模型性能试验研 究、样机设计制造和海上试验等三个阶段，取得了成功n 射。“九五 期间， 在科技部科技攻关计划支持下，广州能源研究所在广东汕尾市建立了l o o k w 波浪电站，它是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，项目开始 于1 9 9 6 年1 2 月，工程结束于2 0 0 1 年2 月。现在已经进入试发电和实海况试 验阶段，从试发电和实海况试验的情况来看，电站设计合理，波能转换效率 较高，达到了设计要求n 6 1 。同时，由天津国家海洋局海洋技术所研建的l o o k w 摆式波浪发电站，已经予1 9 9 9 年9 月在青岛试运行成功。我国计划至2 0 2 0 年，在山东、海南、广东各建1 座1 0 0 0 k w 级的岸式波浪电站n 叫。 总之，我国波浪发电起步较晚，但发展很快。微型波浪发电技术已经成 熟，小型的岸式波浪发电技术已经进入世界先进行列。在发电规模方面，世 界上已从1 0 2 k w ，1 0 3 k w 级发展到1 0 4 k w 级的应用，我国目前仍停留在l o k w ， 1 0 2 k w 级的水平上，即使是到2 0 2 0 年的远景目标也只是发展到1 0 2 k w 1 0 3 k w 级的波浪电站，波浪能开发的规模远小于挪威，英国等国家，因此小型波浪 发电距实用化尚有一定距离1 。 1 3 问题的提出 本论文是来源于国家海洋工艺性行业科研专项：“海岛综合开发利用技术 研究规范”。该科研专项的目的在于开发一种新型的波浪能发电装置，并且确 定该发电装置的工作方式，完成一个样机的结构设计并对其水动力性能进行 分析研究。 9 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 海洋波浪能作为一种清洁的可再生能源，长期以来，世界各国都投入了 大量的人力、物力和财力来对其进行研究。其中振荡水柱式波浪能转换装置 就是利用海洋波浪能来发电的一种典型的波能装置。由于这种装置具有较高 的可靠性，在一些附近海域波能密度较高的国家，如许多欧洲国家都得到了 重点的发展。 但是振荡水柱式波浪能转换装置是放置在岸边的，因此对近海的波能密 度要求较高，而中国附近海域的波能密度与欧洲国家相比要低得多，约为他 们的2 0 9 6 至2 5 n 钉，所以在中国采用欧洲惯用的振荡水柱式波能装置就显得 不太理想。 为此，本文研究了一种新型的离岸式波浪能发电装置浮子式波浪发 电装置，这种装置利用下端铰接于海底，上端悬挂一个浮体的系统来吸收波 浪能。与振荡水柱式装置相比较，浮子式波浪发电装置并不需要很高的波能 密度，并且可以有效的将波浪能转化为电能。 1 4 本文工作要点 本文提出了一种利用下端铰接于海底，上端悬挂个浮体的系统来吸收 波浪能的方法，为探讨该方法，本文对其能量转换装置进行了设计和受力分 析，并对其在各种流体动力载荷下的性能进行研究。通过受力分析和水动力 计算，求出了系统在特定海况和最优外部阻尼下做功的最大值。本文研究的 主要内容包括以下几个方面： 总体方案设计及确定系统发电形式 浮子的水动力性能研究 系统的波浪载荷分析 系统的海流载荷分析 系统的能量转换性能( 效率) 研究 发电功率特性研究 系统的参数优化 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章浮子式波浪发电装置设计 海洋波浪能是一种新兴的清洁无污染的可再生能源，如何有效的利用波 浪能，使之为船舶导航、为海上科研做定点标记和为海上岛屿设施提供电力 是当前各国开发波浪能发电装置的主要目的。铰接于海底的浮子式波浪能发 电系统是波浪发电装置中的一种，属于离岸式。由于浮子式波能装置对波浪 频率的反应较为敏感，当其与海波发生共振作用的时候，运动振幅会明显加 大，有利于能量的聚集和转换。笔者拟设计一种铰接于海底的波浪能发电装 置，并对该装置进行水动力学分析和优化设计。 2 1 波浪能的转换 波能转换，就是把自然界的波浪能通过一定的转换方法，使之成为有用 的动力，它可以认为是耗能的逆过程。波浪能的转换分为第一级转换，中间 转换和最终转换三个部分。第一级转换是最有代表性的，它要适应波浪能的 特性。最终转换则要适应用户的需要。两者特性往往不一致，所以用中间转 换来做第一级转换和是终转换的桥梁，起到承前启后的作用。 2 1 1第一级转换 第一级转换的作用是将波浪垂向运动的动能转换为发电装置持有的能 量。为此，波浪发电装置需要有一对实体，即受能体和定体。受能体与具有 动能的海浪接触，直接接受从海浪传来的能量。定体对于受能体来说是相对 固定的，与受能体形成相对运动或位差。受能体和定体可以有各种各样形式， 通过它们的组合来实现波浪能的第一级转换。 由于受能体可以是刚体、液体和气体，所以从能量转换的角度来看，可 以把第一级转换分为波能一机械能转换，波能一水能转换，波能一空气能转换三 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 种类型，其中以波能一机械能转换形式最为常见。 定体可以分为固定结构、锚泊结构、动力定位、深水体等多种类型。固 定结构和锚泊结构是采用最多的，动力定位是海洋工程近年来新发展的一种 方法。另外深水体也可以作为定体，因为深水体相对于表面波几乎是静止的。 2 1 2 中间转换 在波能转换系统中，中问转换作为桥梁，将第一级转换和最终转换连接 起来。波浪垂向运动产生的动能在经过第一级转换之后往往并不能取得实质 性的进展，还达不到最终转换的动力机械要求。所以，中间转换起了稳向、 增速和稳速的作用。另外，离岸式波浪发电装置的第一级转换与动力机械之 间往往有一段距离，因此，中间转换还要起到传输能量的作用。中间转换按 照传动实体的不同可以分为三种类型，机械式、水力式、气动式。 机械式就是把机械能通过利用齿轮、杠杆等传动机构来实现能量的传递 和运动增速。早期所提出的装置设计，往往结构都比较笨重，传输的距离有 限。不过，随着机械设计技术的不断成熟和进步，近年来仍然有很多这类设 想，例如日本提出的将传动比大、效率高的滚珠丝杆用于波浪发电装置中等 盘蟹 守。 水力式系统是通过一个液压系统对浮子垂向运动的动能进行增速、传动 和调节。液压传动是近代比较成熟的技术，在传输、调节上较为灵活方便。 当水体作为第一级转换的能量载体时( 无论以位能形式或动能形式) ，中间转 换的环节都可以简化。 气动式中间转换就是用空气作为中间介质，和用海水做中间介质相对比， 空气对机件的腐蚀比海水要减小很多。空气泵借用海水为活塞，简化了结构， 由于空气的密度小，限流流速高，