（工程热物理专业论文）浮式圆柱波能装置水动力计算及能量稳定控制研究.pdf

中国科学技术火学博l 学位论义 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掘不可或缺的手段。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 特征函数展丌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 浮体的辐射和绕剁问题的研究成果。单圆柱体波能装置往往带有基座或沉箱，】司 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小稳定的电能，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) _ 1 = 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刁i 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样，但 前 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： ( i ) 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f 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l l 向不明显； ( 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，而建立在蓄能稳雎系统平台匕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i 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。 关镶试：波能装置。水动力学计算转换效率，独立稳定发电 一一 一! ! ! ! ! ! ! ! 坚! ! 墅! ! ! ! ! 型! ! 业型! 型! ! 壁! ! ! c a l c u l a t i o no fh y d r o d y n a m i cf o r c e so n f l o a t i n gc y l i n d e rw a v e e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e sa n de n e r g ys t e a d yc o n t r o l a b s t r a c t t h es t u d yo fo f f s h o r ew a v e e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e s ( o w e c d ) i nt h ef i e l do f t h eu t i l i z a t i o no fw a v ee n e r g yh a sb e e nt h ef o c u sa tp r e s e n t t h ed e s i g no faw a v e e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c em u s tb eb a s e do na c c u r a t ep r e d i c t i o no ft h ew a v el o a d s e x e r t e db ys u r f a c ew a v e s t h ec , d c u l a t i o no fh y d r o d y n a m i cf o r c e si st h e q u i t e i n d i s p e n s a b l em e a n st oo f f e rd e s i g nd a t a t h ei n d e p e n d e n t s t e a d yf u n c t i o no ft h ew a v e e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c ei st h ek e yt h a tm a k e sw a v ep o w e rac o m m e r c i a l l yv i a b l e e n e r g y - t h em a j o r i t yo ft h ee n e r g yc o l l e c t i o ns y s t e mo fo w e c di st h ev e r t i c a lc i r c u l a r c y l i n d e r st h eh y d r o d y n a m i cp r o b l e mo ft h ec y l i n d e r si sc o m m o n l yi n v e s t i g a t e db yu s e o ft h em e t h o do fm a t c h e de i g e n f i m c t i o ne x p a n s i o n i ti sr e p o r t e db yal o to fl i t e r a t u r e w h e r em a n yt h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v eb e e np e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h ed i f f r a c t i o na n d r a d i a t i o np r o b l e m so fas i n g l ev e r t i c a lc y l i n d e ra n dt w ov e r t i c a lc y l i n d e r so ft h es a m e r a d i i ，t h ew a v ee n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c em a d eo fas i n g l ec y l i n d e ri s g e n e r a l l y a t t a c h e db yab a s eo rac a i s s o na n dt h er a d i io ft h et w o - c y l i n d e rd e v i c ea r eh a r d l ye v e r t h es a m e t h eh y d r o d y n a m i cp r o b l e mo ft h ed e v i c em a d eo ft h es i n g l ec y l i n d e ra n dt h e c a i s s o na n dt h a tm a d eo ft w oc y l i n d e r sw h i c hh a v ed i f f e r e n tr a d i ih a v en o tb e e n r e p o r t e di nt h ep a s t u pt on o w ，t h ew a v ep o w e rs t a t i o n sb u i l ti nt h ew o r l dc a no n l y c h a n g et h ec o l l e c t i n gw a v ee n e r g yi n t ot h ef l u c t u a t i n ge l e c t r i c i t ya n dd l f o dl i c ep o w e rl b l l t h en a t i o n a lg 】i i do rt h el o c a lg r i d h o w e v e r , n o n ec a l li n d e p e n d e n t l ya n ds t a b l yo p e r a t e f o rt h o s cr e a s o n s ，s e v e r a ls t u d i e sa r ec o n d u c t e da sf o l l o w s 1 n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fas i n g l eb o d yw a v ee n e r g yc o n v e r s i o n d e v i c e b a s e do nt h el i n e a rw a v et h e o r ya n dt h em e t h o do fm a t c h e de i g e n f u n c t i o n e x p a n s i o n ，t h ee x p r e s s i o n so ft h ev e l o c i t yp o t e n t i a l sf o ras i n g l ec i r c u l a rc y l i n d e ri nt h e a b s t l a c t _ _ _ - _ _ - - - _ - _ _ _ - _ h _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - h - _ _ - _ _ _ 一 f l a to ro v e rac i r c u l a rc a i s s o n ( 1 a n d f o r m ) i na l lf l u i df i e l d s a r ep r e s e n t e d as e to f t h e o r e t i c a l e x p r e s s i o n sf o r t h ea d d e dm a s s ，d a m p i n gc o e f f i c i e n t s ，e x c i t i n gf o r c e ， r e s p o n s eo ft h ec y l i n d e ra r eo b t a i n e d s o m ei m p o r t a n tn u m e r i c a lr e s u l t sa r es h o w e da s f o l l o w s ： ( 1 ) h ec o n d i t i o no fr e s o n a n c eo c c u r r e dm u s tb et h a tt h er a t i oo ft h er a d i u st ot h e d r a f to ft h ec y l i n d e rs h o u l db en om o r et h a n6f o rt h eh e a v i n gm o t i o no ft h es i n g l e c y l i n d e r t h em a x i m u mo f t h er e s p o n s ei n c r e a s e si n t e n s e l y a st h er a t i od e c a y sg r a d u a l l y f o rt h es m a l l e rr a t i o t h ec u r v e so ft h eo p t i m u mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ys h o wt h es i m i l a r t e n d e n c y ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo ft h ec a i s s o no nt h ek i n e t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s i n g l ec y l i n d e ro v e rt h ec a i s s o ni sn o to b v i o u si ft h ec a i s s o ni sn o tv e r yb i gc o m p a r e d w i t ht h ed e p t ho fw a t e ra n dt h er a d i u so ft h ec y l i n d e r b u tt h ef l u c t u a t i n gf e a t u r ei s a p p e n d e do nt h ec o r r e s p o n d i n gp h y s i c a lq u a n t i t yo f t h ec y l i n d e ra tl o wf r e q u e n c ya n d f l u c t u a t i n gv a l u e si n c r e a s e s e v e r a lt i m e sa ts o m ef r e q u e n c i e si ft h ec a i s s o ni sb i g e n o u g h ， ( 3 ) t h ec u r v e so ft h eo p t i m u mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h es i n g l ec y l i n d e ro f d i f f e r e n td r a f t sa r en e a r l yt h es a m ei ft h es i n g l ec y l i n d e ri sn o tm u c hc l o s et ot h es e a f l o o r t h i sr e s u l t sf r o mt h ef a c tt h a tt h ew a t e rw a v e sa r es u r f a c ew a v e s a l t h o u r 曲t h e m a x i m u mo ft h eo p t i m u mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sl i t t l ei n f l u e n c e db yt h ee x i s t e n c eo f t h eb i g g e rc a i s s o n ，t h eo p t i m u mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya tl o wf r e q u e n c yi so b v i o u s l y i n c r e a s e da n dt h ew i d t ho f t h ef r e q u e n c yi se x p a n d e d 2 n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f t h ew a v ee n e r g y c o n v e r s i o nd e v i c e c o n s i s t i n go f t w oc y l i n d e r s a l t h o u g ht h em e t h o df o rt h eh y d r o d y n a m i cp r o b l e mo ft w oc i r c u l a rc y l i n d e r sf a f l o a t i n gc y l i n d e ra n das u b m e r g e dc y l i n d e r ) i st h e s a l t l ea st h a tf o ras i n g l ec y l i n d e r , t h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ed i f f e r e n t ，t h ep a r t i c u l a rs o l u t i o n so ft h ev e l o c i t yp o t e n t i a l sa r e n o tj u s tt h es a m e ，t h eu n k n o w nc o e f f i c i e n t sa r em u c hm o r ea n dt h ee x p r e s s i o n sf o r h y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n t sa n dw a v ee x c i t i n gf o r c e sa r ea l s om o r ea n dc o m p l i c a t e dt h a n t h a tf o ras i n g l ec y l i n d e r b a s e do nt h ee q u a t i o n sa n dt h ee x p r e s s i o n sd e r i v e db yu s eo f 一一 ! ! ! ：! ! 些! ! 墅! ! ! ! 型堕! ! ! ! ! 旦! ! ! ! ! 塑 t h el i n e a rw a v et h e o r y , s o m en u m e r i c a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef l u c t u a t i n gn a t u r eo f t h eh y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n t so f t h ef l o a t i n gc y l i n d e r i sm o r eo b v i o u sa tl o wf r e q u e n c yi ft h er a t i oo ft h er a d i u so ft h ef l o a t i n gc y l i n d e rt ot h a t o ft h es u b m e r g e dc y l i n d e ri sb i g g e ra n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oc y l i n d e r si ss m a l l e r , a n dt h ei n f l u e n c ef r o mt h eh e a v i n g ，s w a y i n ga n dr o l l i n gm o t i o no ft h es u b m e r g e d c y l i n d e ro nt h ef l o a t i n gc y l i n d e ri sg r e a t e r t h ev a r i a t i o no ft h es u b m e r g e dc y l i n d e r s r a d i u si n f l u e n c e st h en u m b e ro ft h ee x t r e m ev a l u ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c i e sa t e x t r e m ev a l u e sa n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oc y l i n d e r si n f l u e n c e st h ev a l u e so f h y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n t s t h ei n f l u e n c eo nh y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n t so ft h ef l o a t i n g c y l i n d e ri sn o to b v i o u sb yt h et h i c k n e s sv a r i a t i o no f t h es u b m e r g e dc y l i n d e r ( 2 ) t h er e l a t i v ec h a n g eo f t h er a d i u so ft h es u b m e r g e dc y l i n d e r , i nv a r y i n gd e g r e e s ， i n c r e a s e st h ev a l u e so fe x c i t i n gf o r c e so nt h ef l o a t i n gc y l i n d e ra tl o wf r e q u e n c y t h e l a r g e rt h er e l a t i v ec h a n g eo f l h er a d i u so f t h es u b m e r g e dc y l i n d e ri s ，t h ew i d e rt h ew i d t h o ft h ef r e q u e n c ye x p a n d s ；t h er e l a t i v ec h a n g eo ft h es u b m e r g e db o d y r a d i u sn o to n l y m a k e st h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo fw a v ee x c i t i n gf o r c e so nt h es u b m e r g e dc y l i n d e r d i f f e r e n t ，b u ta l s ol e a d st h ev a l u e sa n de x t r e m ev a l u e so fi tf l u c t u a t eg r e a t e r o n l yt h e v a l u e so fe x c i t i n gf o r c e sa r ei n f l u e n c e da n dt h et e n d e n c yi sn o to b v i o u sa f f e c t e db yt h e d i s t a n c eb e t w e e nt w oc y l i n d e r s ；t h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i a t i o no ft h et h i c k n e s so ft h e s u b m e r g e db o d yo nt h ew a v ee x c i t i n gf o r c e so f t h ef l o a t i n gc y l i n d e ri sn o to b v i o u s ，b u t t h a to nt h es u b m e r g e dc y l i n d e ri t s e l fi n c r e a s e sa st h et h i c k n e s so ft h es u b m e r g e db o d y i n c r e a s e so nt h ew h o l e ( 3 ) t h em a x i m u mo ft h eo p t i m u mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yb a s e do n c e r t a i n h y p o t h e s i si sn o to b v i o u s l yi n f l u e n c e db yt h ec h a n g eo ft h es u b m e r g e db o d y sr a d i u s a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oc y l i n d e r s b u tt h ev a l u e so ft h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya t l o wf r e q u e n c ya r ei n c r e a s e da n dt h ew i d t ho fe f f i c i e n c yf r e q u e n c yi se x p a n d e d o b v i o u s l y , r e l a t i v e l yb i g g e rc a i s s o nh a st h es i m i l a rf u n c t i o n sa sr e l a t i v e l yb i g g e r s u b m e r g e dc y l i n d e r o nt h eo n eh a n di tc a u s e st h eh y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n t sa n dt h e e x c i t i n gf o r c e sf l u c t u a t ea n dt h ev a l u e so fc o r r e s p o n d i n gp h y s i c a lq u a n t i t ya t s o m e f r e q u e n c i e si n c r e a s es e v e r a lt i m e sa t l o wf r e q u e n c no nt h eo t h e rh a n di te x p a n d st h e w i d t ho fo p t i m u mc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ew a v ee n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e t ot h e a b s t r a c t a u t h o rk n o w l e d g e ，t h e s et w op o i n t sm e n t i o n e da b o v ea r er e p o r t e df o rt h ef i r s tt i m e t h e ya r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g no fo w e c d 3 s t u d yo nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ei n d e p e n d e t - s t e a d yw a v ep o w e r s t a t i o n a d o p t i n ge f f i c i e n tp r e s s u r e - m a i n t a i n i n gs t o r a g es y s t e mi sac r u c i a la n di m p o r t a n t t e c h n i q u ei nt h ep r o c e s so fc o n v e r t i n gu n s t e a d yo c e a nw a v ee n e r g yi n t os t e a d yp o w e r b a s e do nt h ep r e s s u r e - m a i n t a i n i n gs t o r a g es y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e mp l a y sak e yr o l e i nt h ec o n v e r s i o np r o c e s s o n t h e s i m u l a t i n gd y n a m i c t e s t p l a t f o r m o f p r e s s u r e m a i n t a i n i n g s t o r a g eg e n e r a t i n gs y s t e m ，t h e c o n t r o l s y s t e me m p l o y i n g m a n u a l a u t of r e q u e n c yc o n t r o lm o d ei nc o n t r o l l i n gm o t o rt o s i m u l a t et h ei n p u to f u n s t e a d yw a v ee n e r g ys u c c e s s f u l l yf u l f i l sa u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l o ft h e p l a t f o r m ，a n dt h ec o n t r o lp r i n c i p l e ，t h ec o n t r o lm o d ea n dt h ec o n t r o ls o f t w a r e 2 f i e v e r i f t e di nar e a ls e at e s t i ti st h ef i r s tt i m et or e a l i z et h es t e a d yo u t p u to ft h ew a v e p o w e r s t a t i o ni nar e a ls e ac o n d i t i o ni nt h ew o r l d k e y w o r d s ：w a v ee n e r g y c o n v e r s i o nd e v i c e ，h y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y , i n d e p e n d e n t s t e a d yg e n e r a t i n gs y s t e m 主璺型堂垫查查堂堂主兰竺堕苎 刖蠢 人类初次认识海洋波浪的能量来源于其破坏性，全世界波浪能资源的蕴藏量 据估计可达1 0 1 0 “瓦。近几个世纪以来，随着数学、力学知识以及机器制造水平 的发展，人类丌始考虑从波浪能提取可利用能量的可能性。开始于2 0 世：纪7 0 年 代的世界范围的石油危机，驱使人类去开发包括海洋波浪能在内的新能源。现在 世界上许多国家和地区正在致力于海洋波浪能利用技术的研究和开发工作。 关于波浪能转换的设想极多，其装置千变万化( 全世界关于波浪能利用方面 的专利已超过1 5 0 0 项) ，但通常包括采集系统和转换系统两个部分。采集系统的 作用是俘获波浪能，其形式有振荡水柱式( o w c ) 、振荡浮子式( b u o y ) 、收缩 坡道式( t a p c h a n ) 等。振荡浮子式波浪能技术因其制造相对简单，可以采用液压系 统或机械系统传递能量，效率相对较高：而且采用液压系统，能量容易汇集，扩 充灵活，可以发电，也可以输出非电力的动力等原因，近年来发展最为活跃。在 振荡浮予式波能装置中，又以漂浮式的居多。圆柱体因其构造简单、容易建造多 被采用为漂浮式波浪能装置的能量采集部分。 设计制造耐波特性良好、转换效率高、能量输出平稳的波能装胃是相关科研 人员的追求目标，水动力计算在漂浮式波能装置等离岸工程结构物设计中已经是 不可或缺的手段，实现独立稳定运行更是波浪能走向实用的关键。 在研究波浪与结构物的相互作用中，人们普遍采用数值方法，但数值方法计 算精度低、占用计算机c p u 时间长、编程复杂。由于圆柱体的特殊性，对于波浪 和圆柱体之间的相互作用问题，可采用计算速度快、计算精度高、编程相对简单 的解析方法进行研究。关于波浪与圆柱体相互作用的解析方法研究中，前人做了 许多工作，采用的方法主要是特征函数展开匹配法，主要研究了单圆柱形浮体、 等半径同轴双圆柱体、垂向排列的多圆柱体在等水深条件下的辐射和绕射问题。 单圆柱形浮体装置往往带有基座或沉箱，同轴双圆柱体波能装置的两圆柱体的半 径也不一定相等，关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。 现阶段设计和建造的波力电站因不稳定波浪能输入的原因导致其输出的电能 也不稳定，不能直接供给用户使用，往往采用发电上网的方式接收和消化波浪能a 发电上网，意味着波浪能发电的成本必须降到电网收购价之下爿4 能获得经济效益， 前言 目前的技术无法达到这种水平，其结果没有电网的地方无法使用波浪能，有电网 的地方没人对波浪能感兴趣。因此，发展独立的、用户可直接使用的波浪能发电 技术是波浪能走向实用的关键。只有这样，波浪能发电技术在电网不能到达的、 常规能源又昂贵的地方才有市场。 本论文以前人未研究的沉箱上单圆柱浮体波能装置的辐射和绕射问题、半径 不相等的双浮体波能装置辐射和绕射问题及独立稳定控制关键技术为研究对象， 探索流体与波能装置之间的相互作用规律以及独立稳定波力发电系统的控制规 律，涉及到波动理论、数学物理方法、自动控制理论，数字电子技术等多方面的 知识，研究的目标只有一个：波能装置的优化。这种优化包括波能装置结构设计 优化、能量转换效率的优化、能量输出品质的优化。水动力计算和自动控制技术 是这些优化的基础，它们是波能装置研究中的两个重要课题。 本论文主要分为五章。第一章为绪论，主要论述了波能装置的发展现状和趋 势，前人采用线性波理论和解析方法研究圆柱体辐射和绕射问题的研究成果，现 阶段波能装置能量输出不稳定的使用方式，本文的研究内容：第二章以线性波理 论为基础，采用特征函数展开法和分离变量法推导了带沉箱的单个圆柱形浮体流 场内辐射速度势和绕射速度势表达式。在已知速度势的基础上，推导了水动力系 数、波浪激励力、运动响应、水动力和最优转换效率表达式。最后分析了沉箱对 浮体水动力系数、运动响应、水动力、最优转换效率的影响。第三章研究双浮体 ( 上浮体和下浮体) 波能装置的水动力学问题。尽管研究双浮体水动力问题采用 的研究方法同研究单浮体水动力学问题一样，但由于浮体个数的不同，边界条件 不一样，速度势的特解也有所不同，速度势的待求系数、水动力系数、波浪激励 力等表达式要比单浮体问题的求解量多和复杂。同样基于线性波理论推导了各种 方程和表达式，最后通过几种工况的数值计算分析了下浮体尺度及两浮体的垂直 距离对上浮体的水动力系数、波浪激励力及浮体垂荡运动最佳转换效率的影响： 第四章论述了波浪能独立稳定发电系统的组成和自动控制原理、实现方法、程序 流程等，分别给出了在实验室仿真动力实验平台上和实海况条件下把不稳定能量 输入转换为稳定能量输出的实验结果；篇五章是论文总结和今后的工作设想。 波能装置的水动力学问题的研究很复杂。在装置的微幅运动和线性波假设条 件下，如果单浮体同圆柱体沉箱不同轴或者双圆柱体不同轴，这时特征函数展开 匹配法失效，有些研究人员采用多极子展丌匹配法对这类辐射和绕射问题的研究 中国科学技术大学悼j 。学位论文 做了一些尝试，但未见类似研究成果报道，这些问题有待于深入研究。实现独立 波力电力系统稳定运行必需解决不稳定能量输入和负载随机变化的问题。现阶段 对于波力电站独立稳定能量输出控制问题仅仅实现了恒负载能量稳定输出的要 求，对随机负载条件下和能量的综合利用方面的自动控制和系统的保护技术有待 于进一步的研究和实验。 中国科学技术火学博卜学位论义 第一章绪论 能源是人类社会进步最为重要的物质基础，环境则是人类赖以生存的空州。 今天全球超过8 0 的能源消耗来源于化石能源，而化石能源的消耗往往排放火量 的温室气体二氧化碳，导致灾难性气候增加【1 2 i 。因此，能源和环境问题是当 今世界各国最为关注的共同焦点，更是实现可持续发展的关键。新能源与可再生 能源的推广应用，可以大大减轻人类对煤炭、石油等传统资源的消耗和依赖，同 时减轻环保压力【3 】。对于我国，新能源和可再生能源开发将是调整能源结构、保护 环境、增强能源安全、实现可持续发展的必然选择。波浪能是一种依附在海水中 的可再生能源，是海洋表面波浪所具有的动能和势能。开发波浪能符合国家能源 发展战略。 波浪能有许多优点。波浪能来源于风，而风又是太阳能对大气的加热瓶产生 的，因此波浪能是可再生和无穷无尽的，蕴藏量丰富；波浪能的利用可减少对化 石能源的需求，而且波能装置建造和生产过程中对环境的影响，l 乎为零：波浪能 相对于其它“间歇”性能源比如风能、太阳能来说比较均衡，其能量鬻度远大于 太阳能和风能【9 0 1 ：波能装置可设计成标准器件，装备和扩充灵活，装置选址灵活 等等吼 波浪能有这么多优点，但到目前为止利用它还面临着许多挑战。波浪能是一 种波动性资源，能量的输入具有周期性。能量的大小随着波的长度、周期和波高 变化而变化，这种波动性影响到发电机的输出质量( 频率和电压波动) ，不能以稳 定的方式输出电能：尽管波浪能的密度远大于风能和太阳能能的密度，但它仍然 属于低密度资源，要生产一定量电力需要大量的装置；当在一定波况下( 举例来 说在设计波高范围) 所设计的波浪能转换效率，而超过这样的设计范围( 比如小 波浪) 这类装置的能量输出明显减低，甚至没有能量输出；结构坚固、价格便宜、 有经济效率的波浪能转换装置还有待于波能利用技术的进一步发展，而上上装置价 格和性能无法确定，此外还面临着转换装置的运转噪音、电力传输、运转町靠性、 装置保护等等问题吼波能利用还处在发展的早期阶段。 虽然波能的应用仍处于发展的早期阶段，但关于波浪能转换的设想极多，其 装置千变万化，但通常具有两个部分：第一部分为采集系统，该系统的作用是俘 船1 炙 第一帝绪论 获波浪能；第二部分为转换系统，该系统把俘获的波浪能转换为某种特定形式的 机械能或电能。采集系统的形式有振荡水柱式( o w c ) 、振荡浮子式( b u o y ) 、摆 式( p e n d u l u m ) 、鸭式( d u c k ) 、收缩坡道式( t a p c h a n ) 等，转换系统的形式有空气叶 轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等。人们已经建造和l 测试了 各种各样的转换装置，甚至有些装置( 比如航标灯波力发电装胃) 已经小规模生 产了归j 。这些装置按所处位置方式可以分为两类啊：岸式波能装置和离岸式波能装 置。岸式波能装簧包括各种固定的振荡水柱( o w c ) 装置、推摆式装置，岸式振 荡浮子装置等；离岸式波能装嚣包括漂浮式振荡水柱装罨、垂荡浮子和筏等。 相对于离岸式波能装置，岸式波能装置依附于岸边合适位置而建，它有站房 修建和机器吊装技术简单、费用低，电力输出不需要价格昂贵的海底电缆，电站 维护简单等很多优点。有代表性的岸式电站是英国的w a v e g e n 公司和贝尔法斯特 女王大学( b e l f a s t q u e e n su n i v e r s i t y ) 共同在苏格兰的i s l a y 岛上研建的l i m p e t 振荡水柱式波浪能电站。该电站于2 0 0 0 年建成，并已向国家电网供电1 7 , 8 l 。但是， 建造岸式电站也面临一个难以克服的问题( 也就是波浪能在浅水中的消散问题) ， 这一问题可能不久会因波能利用技术的发展使得离岸式波能装置的造价、维护、 电能的传输等难题得到解决而使得建造岸式电站的优越性消失殆尽。 至今为l e ，离岸式波能装置技术的研究尽管没有比岸式波能装置技术的研究 更广泛和深入，但离岸式波能装置有更广阔的应用前景。离岸式波能装置不必像 固定式波能装置那样需要爆破、清渣、水下浇灌混凝土等涉及站房建设等问题； 它们的应用范围广，选址灵活，小构成对海岸线的破坏；它们可以由相同的结构 模块组成，