波浪发电装置波能转换效率数值模拟研究论文(PDF 79页）.pdf

天津大学 硕士学位论文 波浪发电装置波能转换效率数值模拟研究 姓名 王彦龙 申请学位级别 硕士 专业 港口 海岸及近海工程 指导教师 王元战 20090601 摘要 海洋波浪能的研究在过去几十年的时间里取得了显著的进步 世界各国对其 进行了大量的研究 研制出多种波能转换装置 有些已经商业化生产 本文研究的摆式波能发电装置是利用一个水室聚波形成立波 悬挂其内的摆 板做吸能载体随波浪运动而前后摆动 摆板的摆动带动液压泵 驱使发电机发电 这种装置的主要优点是 结构简单 效率较高 安全性好 在国内已经建有该形 式的发电装置 本文利用大型有限元计算软件A D I N A 对摆式波能发电装置进行了流固耦 合数值模拟分析 为其设计提供参考依据 主要从以下几个方面展开工作 首先 在不规则波浪水槽中进行摆式波能发电装置的物理模型试验研究 变 化不同的波况条件和负载 观察摆板的转动 并测得计算输出功率和波能转换效 率所需的试验数据 其次 在A D I N A 中构建二维数值波浪水槽 在此基础上 考虑波浪推动摆 板运动 反过来摆板运动又会对波浪的运动形式产生影响 两者的相互作用机理 比较复杂 因此 利用A D r N A 的流固耦合计算功能 建立摆式波能发电装置的 数值模型 并利用物理模型试验数据对其进行验证 计算结果与物理模型试验吻 合较好 可以到达计算所需精度 最后 基于A L E 理论 对摆式波能发电装置的流固耦合系统进行非线性数 值模拟计算 依次改变波况条件和发电装置结构形式的各个参数 观察其对输出 功率和波能转换效率的影响 当结构形式与波浪条件满足 摆板距后墙壁的距离 为四分之一入射波长 摆板摆动频率与波频接近 负载系数与波浪阻尼系数接近 一定比值时 波能发电装置有较高的输出功率和转换效率 此规律可为结构的优 化设计提供参考依据 关键词 摆式波能发电装置 A D 烈A 流固耦合 波能转换效率 A B S T R A C T W a v ee n e r g yh a sa d v a n c e ds i g n i f i c a n t l yo v e rt h ep a s tf e wd e c a d e s M u c ho ft h i s w o r kh a sb e e nu n d e r t a k e nb ys c i e n t i s t so fm a n yc o u n t r i e s A sar e s u l t m a n yk i n d so f w a v ee n e r g yd e v i c e sa r ea tt h ee n do ft h e i rR Dp h a s e a n ds e v e r a la r ec u r r e n t l y b e i n gd e p l o y e dc o m m e r c i a l l y T h eP e n d u l o rw a v ep o w e rd e v i c ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rc o n s i s t so fac a i s s o n w h i c hh a sao p e nw a t e rc h a m b e rf a c i n go f f s h o r e Ap e n d u l u mf l a pi sh i n g e dO V e rt h i s o p e n i n g s ot h a tt h eo s c i l l a t i n gm o t i o no fs t a n d i n gw a v e sg e n e r a t e dt h e r ec a u s e i tt O s w i n gb a c ka n d f o r t h T h i sm o t i o ni st h e nu s e dt od r i v eag e n e r a t o rt h r o u g hp o w e r i n g ah y d r a u l i cp u m p T h i sd e v i c eh a se x c e l l e n tm e r i t s i ti ss i m p l e h i g h l ye f f i c i e n t a n d s a f e Ap r o t o t y p eo ft h i sd e v i c eh a sb e e ni n s t a l l e da tai s l a n di nS h a n d o n gp r o v i n c e I nt h i sp a p e r A D I N As o f t w a r ei su s e dt Op r o c e s sf l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o no n P e n d u l o rw i t hw a v ea n dp r o v i d er e f e r e n c eo nd e s i g n i n go ft h ed e v i c e T h eo b j e c t i v e s o ft h i s 也e s i sa r ea sf o l l o w s F i r s t l y a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eP e n d u l o rw a v ep o w e r d e v i c ei sc a r r i e do u t i nw a v ef l u m e R o t a t i o no fP e n d u l u mf l a pi sd i f f e r e n tu n d e rv a r i o u sw a v ea n dl o a d c o n d i t i o n s D a t af o re v a l u a t i n gt h eo u t p u to ft h ed e v i c ec o u l da l s ob e e no b t a i n e df r o m t h ee x p e r i m e n t S e c o n d l y s i m u l a t i n gt l l e2 Dn u m e r i c a lw a t e rf l u m e w a v em o t i o ni n d u c e st h e p e n d u l u mf l a p Sm o v e m e n t a n d t h ep e n d u l u mf l a p Sm o v e m e n ta f f e c t st h em o t i o no f t h ew a v ei nr e v e r s e t h i sf l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni sc o m p l i c a t e d B a s e do nt h eF S I f u n c t i o no fA D I N A t h en u m e r i c a lm o d e lo fP e n d u l o rw a v ep o w e rd e v i c e i s e s t a b l i s h e da n dv a l i d a t e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a C o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t t h e n u m e r i c a lm o d e lu s e di n t h i sp a p e ri sr e l i a b l ea c c o r d i n gt Ot h er e s u l t s F i n a l l y b a s e do n A L Et h e o r y t h en o n l i n e a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ns y s t e mo fd e v i c ew i t hw a v ei sc o n d u c t e d E v e r yp a r a m e t e r o fw a v ea n dp o w e rd e v i c eh a sa nu n i q u ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e S a t i s f y i n gt h a tt h ed i s t a n c eb e t l e e np e n d u l u mf l a pa n dt h ew a l li se q u a lt Oaq u a r t e r o ft h ew a v el e n g t h t h ef r e q u e n c yr a t i oo fp e n d u l u mf l a pt ow a v e i se q u a lt o1a n dt h e r a t i oo fl o a d Sc o e f f i c i e n tt Ow a v e Sc o e f f i c i e n ti sa 风e dv a l u e t h eo u t p u ta n d c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h ep e n d u l o rw a v ep o w e rd e v i c e i st h eh i 曲e s t T h e c o n c l u s i o no ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a ng i v et h ep r i n c i p l et h a ts h o l l l ds a t i s f yf o r t h eo p t i m i z i n gd e s i g no ft h eP e n d u l o rw a v ep o w e rd e v i c e K e yw o r d s P e n d u l o rw a v ep o w e rd e v i c e A D I N A F S I F l u i d S t r u c t u r ei n t e r a c t i o n c o n v e r s i o ne t f i c i e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 砀岔 签字日期 卅年 月五日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂 有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 签字日期 缈7 年 导师签名 签字日期 97 年厂月 日 日带川主少月 咨一 口 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 上世纪七十年代出现的原油危机 使人们清醒的认识到能源问题在国民经济 和社会发展中的重要作用 为了解决能源供应在社会发展中的瓶颈问题 寻找替 代的可再生能源已经成为全球的共识 在此背景下 世界上许多国家都着手对海 洋能的研究 海洋占全球表面约7 1 的面积 这个世界上最大的太阳能收集器中 储存着巨大的能量 海水在运动过程中常产生多种可再生的能量 主要包括波浪 能 潮汐能 潮流能 海流能 温差能和盐差能等 统称为海洋能 海洋波浪能 是一种在风的作用下产生的并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能 l 我国海洋能资源十分丰富 可开发利用量达1 0 亿k W 的量级 其中沿岸波浪能 理论平均功率为1 2 8 5 万k W 2 1 国际能源组织 I E A 1 9 9 4 公布的报告预测 波 浪能如果充分开发 最终可提供目前全球电力需要的1 0 左右 3 估计为2 0 3 0 亿千瓦 图1 1 为波浪能在全球的分布示意图 波浪能作为一种清洁的可再生 能源 早在一个世纪前 人类就开始着手对它进行研究 但那时的波浪能研究主 要集中在波能转换装置的发明上 真正实用的波能装置很少 直至上世纪7 0 年 代中期 人们才开始认真地研究波浪能的实际利用技术 此后有多个国家开展了 波浪能的研究 据文献记载 开展波能利用研究的国家有英国 日本 挪威 丹 麦等2 0 多个国家 上世纪8 0 年代以来 各国相继建成了2 0 个左右波浪能转换 装置或电站H 见表1 1 对于波能发电装置 目前各国研制的多半是用于航标灯 浮标等电源使用的 小型波能发电装置 据统计 全世界约有数千座该类波力发电装置在运转 仅日 本就有1 5 0 0 多座在使用中 5 1 我国也有5 0 0 台左右该类装置已被投入到实际运 行中 目前 波能转换装置理论已基本建立 研究课题主要集中在几种较佳的方 案上 如漂浮式波力发电装置 沿岸固定式波力发电装置 近岸固定式波力发电 装置 聚波式波力发电装置 推摆式波力发电装置等 鉴于波浪能利用在成本及其技术方面仍难以和常规能源相竞争 波力发电装 置在近期内还不能得到广泛推广 但在某些不便利用常规能源的地区 如海岛和 海上设施的能源供应 波力发电就显示出了其特有的优越性和生命力 现今能源 缺乏已经严重制约了我国许多岛屿的经济发展和国防建设 因此 波力发电的广 泛应用对这些地区的资源开发有重要的现实意义 随着海洋开发向离岸及纵深发 天津大学硕士学位论文第一章绪论 展 海洋能可为将来的海上工程作业提供便利的电力 解决离岸用电问题 目前 开发波浪能发电的首要任务是依靠海岸工程领域的技术进步以大幅度提高波浪 能的利用率和尽可能的降低工程造价 随着波力发电中某些关键技术的逐步解 决 波力发电必将在能源结构中占据重要位置 e l 1 0 0 增P e r e s a r ea p p r o x i n m t em dg i v e n k W mo f w a v ef T o n t 图1 1全球波能分布示意图 表1 1国外波力发电装置 电站简况 电站名称 地址童成试验时问额定功率转换魇理研卅簟位 海明 波力发电船 t 9 7 8 1 9 8 6 年1 2 加k W 振荔水柱日本海洋科技中心 日本山形县鹤岗市由良海面 岸基波力电站 1 9 8 3 年4 0 k W 振荡水柱日本海洋科技中心 日本山形县鹤岗市三溅海岸 岸基波力电站 1 9 9 4 生9 姚W 摆板式日本海洋科技中心 f l 本北簿道室兰内铺湾 防渡堤渡力电站 1 9 8 9 盘6 娃W 摄荡水柱日本港湾技术研究所 日本山形县酒田港 巨鲸 濠浮式渡力发电装置 1 9 9 8 年1 0 月 弛W摄落水柱日本海洋科技中心 日本三重县五所搏梅面 岸基波力电站 2 0 0 0 年1 1 月姗k W振荡水柱英国女王大学 英国苏格兰艾莱岛 k 1 y 离岸固定渡力发电装置 1 9 9 5 年8 月2 0 k W振荡水柱 苏格兰应用研究与技术公司 英国苏格兰北部D o u n r e a y R T 带前港岸基波力电站 1 9 8 3 1 9 鹳年5 k 1 多共振挪威水电公司 彝威T o f t e s t a l l e n 岛振荡水柱 K v a e m e r 聚波贮水电站 1 9 8 6 年至今 3 5 弧W 收缩渡道挪威渡能公司 挪威T o f t e n d l e n 岛 聚渡水库 N o r w a v e A S 岸基波力电站 葡萄牙亚速尔群岛D i m 岛 1 9 9 7 拄5 k W振饬水柱葡 英 爱联合研制 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 全世界对波浪能研究以英国投入力量最大 7 1 英国对开发波浪能研究的重视 使其在2 0 世纪8 0 年代初就已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 万千瓦振荡水柱式和固定式岸 基波力电站 此外 英国还致力于威尔斯气动透平 原型波力发电机组 导航浮 标的波力透平发电机组及小型波能转换器等的研究 它的波浪发电技术居世界领 先地位 并实现了商业化 挪威1 9 8 5 年在卑尔根岛上相继建成振荡水柱式和聚波能流式两座不同形式 的岸式波力电站 其装机容量分别为5 0 0 k W 和3 5 0 k W 均取得良好的经济效益 挪威的岸式波力电站技术已向商品化发展并打入国际市场 印尼 美国 葡萄牙 均与挪威签订了协议 日本的波浪能研究与开发也十分活跃 它的1 0 多家研究与开发机构既明确 分工又互相协作 并重视技术向生产应用的转化 使日本在波浪能转换技术实用 化方面走在了世界前列 从2 0 世纪8 0 年代中期至今 日本已建成4 座岸基固定 式和防波堤式波力电站 单机容量为4 0 1 2 5 k W 我国有组织的对波浪发电的研究系自2 0 世纪7 0 年代开始 1 9 7 5 年 上海 进行了我国波浪装置的海上首次试验 但未取得科学上和实用上的收获 如今 波浪发电研究已由上海扩展到大连 青岛 广州 南京等地 2 0 世纪末期我国 开始研制3 0 k W 和1 0 0 k W 波浪发电装置 波浪发电的形式依照装置的系锚方式不同可分为 固定式和漂浮式 漂浮式 波能装置的一些典型形式有 点头鸭 式波能转换装置 英国海蛇号波力发电 装置 波面筏式波能转换装置 振荡浮子式波能转换装置 固定式波能装置主要 有三种形式 振荡水柱式波能转换装置 收缩波道式波能转换装置和摆式波能转 换装置 8 一 下面分别对这些典型的波能发电装置进行介绍 1 2 1 漂浮式波能装置的典型形式 一 S a l t e r 点头鸭 D u c k 式波能转换装置 S a l t e r 在他1 9 7 4 年的论文中介绍了一种独特的波能转换方法D o 使二维正弦 波的转换效率可接近9 0 左右 由于该装置的形状和运行特性酷似鸭的运动 因 而称其为 点头鸭 入射波的运动使得动压力可有效地推动鸭身绕轴线旋转 另 外 除动压力外 流体静压力的改变也使接近鸭嘴的浮体部分做上升和下沉往复 运动 由于这两种压力所产生的运动是同相位的 在波浪运动的一个周期内 点 天津大学硕士学位论文第一章绪论 头鸭将动能和位能二者同时通过液压装置转化出去 动能转换为电能 在设计点头鸭波能转换装置时 注意到 如果 把点头鸭质量重心的位置做成可调的 那么就可使 其固有周期与波浪周期相匹配 从而最大程度地利 用波浪能 M y n e t t 掣u j 对二维正弦波中运行的点头 鸭装置特性作了分析 研究结果表明 在理想运行 条件下 点头鸭效率接近9 0 S e r m a n E l 2 等对M y n e t t 的研究作了发展 对不规则波作用下的点头鸭性能 进行了研究 研究结果表明 在不规则波作用下 系统效率要低许多 S a l t e r 点头鸭虽然是一种有效的 然后再由液力 电力系统把 波能转换装置 但它的严重不足在于 装置可靠性 图1 2 点头鸭式发电装置 差 在恶劣的海洋环境下 装置极易损坏 所以S a l t e r 点头鸭没有得到广泛推广 二 英国海蛇号 P a l a m i s 波力发电装置 该装置由英国海洋动力传递公司 O c e a nP o w e rD e l i v e r yL t d 于1 9 9 8 年1 月接受研制 2 0 0 2 年3 月完工 海蛇号是漂浮式的 由若干个圆柱形钢壳结构 单元铰接而成 将波浪能转换成液压能进而转换成电能的波能装置 如图1 3 所 示 它具有蓄能环节 因而可以提供与火力发电相当稳定度的电力 l3 1 英国海 洋动力传递公司现已赢得建造一个7 5 0 k W 海蛇号波力发电装置的项目 装置的 投放地点为苏格兰的I s l a y 岛附近海域 该公司还和加拿大的B CH y d r o 公司签订 了在加拿大V a n c o u v e r 岛建2 M W 海蛇号波力发电装置的备忘录 三 C o c k e r e l l H a r e n 波面筏式波能转换装置 C o c k e r e l l 和H a r e n 1 4 同时提出了采用波面筏作为波能转换装置的方法 这些 筏通过铰链相互铰接在一起 能量转换装置置于每一铰链处 波浪的运动引起波 面筏产生沿铰接的弯曲 从而反复压缩液力活塞并输出机械能 如图1 4 所示 波面筏属于飘浮式的波能装置 三联筏是最简单的一种波面筏式波能装置 研究 人员 l5 对该能量转换系统作了较广泛的理论和试验研究 与点头鸭运行特性相 似 当系统固有频率与波频相一致时 其输出效率最高 另外 当波面筏在三维 波中运行时 其效率有望超过1 0 0 这是由于当入射波的频率接近系统固有频 率时 入射波和辐射波之间相互作用 以至于在波面筏附近的波浪产生了聚集效 应 与波面筏波能转换相关的问题主要有两个 一个是波面筏的实体尺寸过大 尤其是在波能密度较小的区域 所需的筏系统表面积将更加庞大 另一个主要问 题是在恶劣的海洋环境下如何系泊的问题 对于如此大的波面筏系统 系泊问题 将是最严峻的考验 因此 尽管波面筏式波能装置的转换效率较高 但由于系泊 天津大学硕士学位论文第一章绪论 及波面筏费用过高 致使被面筏波能转换系统的实用性显著降低 圈1 3 英国海蛇导波力发电站图1 4 波面筏波能转换装置 凹 振荡浮子武渡能转换装置 振荡浮子式装置是在振荡水柱式装置的基础上技展起来的被能发电装置 它 用一个放在港中的浮子作为波浪能的吸收载体 然后将浮子吸收的能量通过一个 放在岸上的机械或渡压装置转换出去 用来驱动电机发电 它由浮子 连杆 液 压传动机构 发电机和保护装置等几部分组成 如图1 5 所不 振荡浮子式被能 装置从工作原理上看 属于利用附体的运动发电 与 点头鸭 式 波面筏式相类 似 目前 日本和美国的研究人员已研制了几种利用浮子相对于固定或浮动参照 点的运动来发电的波能芨电装置 中国科学院广州能源研究所也研制r 一种该类型的发电装置 振荡浮子 岸式波能转换装置 并己对这种发电装置进行相关物理模型试验研究 8 4 肛 图1 5 振荡浮子式被能转换装置 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 固定式波能装置的典型形式 一 振荡水柱式波能转换装置 振荡水柱式 O W C 波能装置根据其系泊方式可分为固定式和漂浮式两种 固定式的装置既可以建造在岸边 称为岸式 也可以建造在海里 称为离岸式 近年来国外建造的岸式装置有 挪威5 0 0 k W 岸式波能装置 英国的7 5 k W 岸式 波能装置 英国的5 0 0 k W 岸式波能装置 葡萄牙5 0 0 k W 岸式波能装置 印度 1 5 0 k W 沉箱式波能装置 1 8 中国第一座波力实验电站 珠江口大万山岛3 k W 岸式波力电站于1 9 9 0 年试发电成功 l9 后来又于1 9 9 6 年在原3 k W 结构基础上 建成2 0 k W 岸式振荡水柱波力电站 2 0 0 1 年 广东汕尾建成了我国第一座百千 瓦级波力电站 其运行性能和安全性能均达到设计要求 并顺利通过国家验收 1 0 0 k W 岸式波力电站的结题标志着我国波能利用水平己处于世界先进行列 离 岸式装置如欧共体的O S P R E Y 号2 M W 波能装置 漂浮式装置有日本M i g h t y W h a l e 号 如图1 6 所示 1 2 0 k W 波能装置 中国的5 k W 漂浮式后弯管波能装 置 此外还包括约5 0 0 个1 0 w 中心管波力发电导航标灯浮标 S i d ev i e w P l a nv i e w t 健n I t m 图1 6 日本M i g h t y W h a l e 号O W C 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 振荡水柱波力电站的原理及结构如图1 7 所示 主要包括前港 气室 W e l l s 透平及电机 在入射波的作用下 气室内的水柱受激振荡 推动其上方的空气往 复地通过W e l l s 透平 将振荡的水柱能量转换变成透平的机械能量 从而驱动电 机发电 该装置的独特之处在于可以依靠共振来加强水柱运动 气室内的水柱由 于波浪的作用做上下往复运动 且本身具有一固有频率 当入射波的频率与固有 频率相近时 系统将产生共振 从而加大气室内水柱的振幅 研究发现 2 0 1 当 振荡体处于共振状态时 入射波与辐射波的联合作用使得物体入射波方向的波高 增加 而振荡体背部的波高减小 从而增加了波能转换装置的效率 振荡水柱式装置的最大优点就是 透平机组等相对脆弱的机械部分只与往复 流动的空气接触 不与波浪接触 因而比与波浪直接接触的直接式波能装置的抗 恶劣气候性能好 故障率低 但其缺点也很明显 1 建造费用昂贵 2 转换 效率低 装置将波浪能转换为电能的总效率约为1 0 3 0 W a y eD i r e S e aB e d 0s c i l l a t i ngW a t e rCo l u m nDe vi c e 图1 7 振荡水柱式 O W C 波能转换装置 n e 二 收缩波道式波能转换装置 收缩波道式波能装置是基于聚波理论的一种波能转换装置 聚波理论最早由 挪威特隆姆大学的F a l n e s 2 1 和B u d a l 2 2 1 提出 收缩波道式波能装置 如图1 8 所 示 具有一个比海平面高的高位水库和一个渐收的波道 收缩波道 收缩波道 是两道用钢筋混凝土做成的对数螺旋正交曲面 从海里一直延伸到高位水库里 两道墙在高位水库内相接 当波浪进入收缩波道时 由于收缩波道的聚波作用 使波浪的波高增大 从而使水越过钢筋混凝土墙进入高位水库 然后水库里的水 通过一个低水头的水轮发电机组发电 挪威波能公司 N o r w a v eA S 于1 9 8 6 年建造了一座装机容量为3 5 0 k W 的收缩波道式波能电站 印尼在挪威多家公司 的技术支持下 在J a v a 南面海边也准备建一座1 5 M W 的收缩波道式电站 2 3 1 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 C o n v e r g i n S h o r e I i n e W a v eD i r e T a p e r e dC h a n n e lD e v i c e T A P C H A N 图1 8 收缩波道式波能转换装置 Ur b n eH O U s e u r n l o t h eS e a 收缩波道式波能装置的优点是 在波能的转换中没有活动部件参与 因而可 靠性好 维护费用低 出力稳定且效率高 建造者称其转换效率在6 5 7 5 之 间 几乎不受波高和周期的影响 但它的缺点在于对地形要求极高 在现实中不 易广泛推广 三 摆式波能转换装置 摆式波能转换装置原理是利用装置的运动部件 在波浪的推动下 将波浪能 转换成机械能或势能 从而直接对外做功或转换为电能 这种装置属于固定式波 能转换装置 结构如图1 9 所示 主要由水室摆板机构 机电转换机构 发配电 机构三大部分组成 水室摆板机构是实现波能转换为机械能过程 机电转换机构 是将机械能转换为电能过程 发配电机构是电力输送过程 其中水室摆板机构是 关键技术所在 水动力实验研究与能量转换效率的提高是课题研究的重点 P e n d u l orD e v i c e 图1 9 摆式波能转换装置示意图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 世界上许多国家对这种装置进行了研究 典型的是日本 日本室兰工业大学 于1 9 8 3 年在北海道室兰附近的内浦湾建造了一座装机容量为5 k W 的推摆式波力 电站 该电站通过一个能在水槽中前后摇摆的摆板从波浪中吸取能量 然后 通过一台单向作用的液压泵将能量转换出去 用来驱动发电机发电 摆板的运行 很适合波浪低频特性 其阻尼是液压装置 该试验电站的摆宽为2 m 最大摆角 为 3 0 度 波高15 m 周期4 秒时的正常输出约为5 k W 总效率可达到4 0 4 5 0 是日本电站中效率较高的一座 该电站运行二十个月后 在一次暴风雨中 被毁 在此基础上 日本于1 9 8 3 年在烧尻岛的西浦港建造了一座2 0 k W 的推摆 式波力电站口5 I 用来向渔民公寓提供热水 但是该装置在建成 个月后又被毁 现在日本室兰工业大学准备在一个1 0 0 m 长的防波堤上建造一座3 0 0 6 0 0 k W 摆 式波能装置 如图1 1 0 所示 此外由中国国家海洋局海洋技术研究所研制的 坐落于山东省即墨市大管岛的国家 九五 科技攻关项目 3 0 k W 摆式波力电站于 1 9 9 9 年6 月开始实施海况试验 2 7 电站所发的电首先对蓄电池充电 然后再供 给用户使用 在入射波高为i 6 m 时电站出电约为I 3 0 k W 该电站按照抵抗 2 0 年一遇台风的标准建造 目前运行状况良好 藕隧蕊 L 圆13 0 0 o w f 1 亏1 概栅 圈1 1 0 日本3 0 0 6 0 0 k W 摆式波能装置效果图 摆式波能转换装置较其他类型的装置有很多优势 摆式装置的成本低 结构 简单 能够较好地适应恶劣的海洋环境 波能转换效率较高 缺点是与振荡水柱 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 式装置相比较 转换效率不稳定 受摆板后去流段长度的影响较大 1 3 本论文研究的主要内容 本论文的研究工作是针对摆式波能转换装置来开展的 摆式波能电站最早由 日本的渡部富治教授提出 并在日本北海道内浦湾建有实验装置 经过长达十几 年的试验 对带动液压系统的摆式波能电站有了一定的认识 并提出了波能转换 效率的理论计算公式 但该公式是以立波理论为基础得到的 未考虑水室内摆板 与波浪的耦合作用对波浪形式的影响 而且实验装置成本较高 一旦遭遇强浪被 冲毁 损失严重 因此 针对这一现状 本论文尝试采用有限元的方法对摆式波 能发电装置进行数值模拟计算 以摆板与波浪的耦合作用为前提 建立摆式波能 发电装置的数值模型 从而可以对摆板与波浪的耦合作用机理有一个初步的认 识 而且可以为与之相似的流固耦合问题提供一条新的研究途径 为研究摆式波能发电装置波能转换效率的变化规律 进行了物理模型试验 在本文的第二章对其进行了说明 包括试验原理 试验过程以及试验数据 本文采用大型有限元软件A D I N A 对摆式波能发电装置进行数值模拟计算 在第三章中介绍了波能发电装置的数值模型 首先对A D I N A 的原理和功能进行 了说明 其次对流同耦合数值模拟计算的关键部分 波浪的模拟进行了分析说 明 由于摆板受波浪运动而摆动 反过来摆板的摆动又会影响波浪的运动 如此 反复作用使得这种流固耦合问题比较复杂 作用机理的影响因素较多 因此本文 利用A D I N A 软件独特的流固耦合计算功能 建立波能发电装置的数值模型 并 应用物理模型试验的数据对其进行验证 摆式波能发电装置的波能转换效率受很多因素影响 主要有水深 波高 波 周期等波况条件因素和摆板距后墙距 摆轴输出扭矩 负载 等结构形式自身的 因素 在第四章中 对摆式波能发电装置原型进行了基于流固耦合原理的数值模 拟计算 分析各个因素对输出功率和波能转换效率的影响 研究结构形式与波况 条件之间的内在联系 为摆式波能发电装置的结构设计提供数值计算依据 在第五章中 对整个研究工作做了总结 并指出对该形式的波能发电装置以 及流固耦合的数值模拟还需进行的研究 天津大学硕士学位论文第二章波浪发电装置物理模型试验 2 1 引言 第二章波浪发电装置物理模型试验 2 1 1 物理模型试验背景 本论文所研究的波浪发电装置针对的是摆式波浪发电装置 它最先由日本室 兰工业大学的渡部富治教授提出 其原理是波浪在水室中形成立波 在立波的驻 点处 水质点作水平往复运动 表现在宏观上 即水团的水平往复运动 从而推 动摆板摆动 带动摆轴处的设备 实现波能向电能的转换 2 引 1 9 8 3 年4 月 第一个5 k W 的摆式波浪发电装置在日本室兰港建成 由日本 室兰工业大学的渡部富治教授的研究团队进行试验研究 模型如图2 1 示 是一 个沉箱结构 含有两个开口的水室 开口对着来波方向 每个水室中各有一个悬 挂的摆板结构 波浪在水室中形成立波 摆板在立波的作用下做振荡运动 带动 与之相连的发电机发电 试验从1 9 8 3 年4 月开始持续了1 3 个月 通过试验测得 这种发电装置的最大波能吸收效率可达4 0 5 0 j 卜 一l 蜀 2 r G a U S S 0 0 塔 K a l l 1 9 5K N c 咒 骝r 囊 一 历 r 一 j Z 跏 a l l w 缕 铋白 R u b b e l o Z 幺 j Q I T y r e s 乏 附 o一必 蛊 一 巴 P e n d u l o r I 亡 W a v e 1 9 0K N J w L 了F o r c 一 苣B I 1 吧 J2 o T l P r e 3 s u r t 一j E 1lf ow a g e rC l A a t a b e r P I a t e c u n o Y 一 77 7 7 7 j 彳 二产 D 1 5 0m 囊臻誓r S e a B e d o 2 3m2 3m 5 m 0 1 R 0m 图2 1室兰港摆式波力发电装置图 第一次的试验装置在运行2 0 个月后被强浪冲毁 经过对造成损害原因的分 析 该团队对摆板结构进行了改进 提高了装置的抗风浪冲击能力 很快又重新 建成一个5 k W 的摆式波力电站 如图2 2 示 经过几年的试验 证明摆式波能 天津大学硕士学位论文 第二章波浪发电装置物理模型试验 转换装置较其他类型的装置有很多优势 简单 高效 安全 目前 国内对这种波能转换装置已经进行了 些研究 由中国国家海洋局海 洋技术研究所研制的3 0 k W 摆式波力电站已建成 位于山东省即墨市大管岛 大 管岛占地面积0 5 1 平方公里 年平均温度1 3 度左右 岛上植被茂盛 环岛四周 以礁石为主 近岸水深平均8 米 波能资源丰富 适合波能开发利用 3 0 k W 摆 式波力电站选址在大管岛东北方向的一个天然喇叭口处 具有良好的聚能效果 因地制宜 大大节省建站水工等费用 图2 2 改进后的室兰港摆式波能装置图 此次物理模型试验就是为了研究在不同波浪条件下摆式波浪发电装置的波 能转换效率 为提升摆式波能发电装置的发电效率 提供试验依据 2 1 2 试验设备 波浪发电装置的波能转换效率模型试验在天津大学港口与海洋工程实验室 的不规则波浪水槽中进行 水槽长9 0 m 宽2 m 高1 8 m 设有可制造不规则波 的造波机 电脑控制及数据采集系统 水槽另一端设有消浪区 试验装置的布置 如图2 3 所示 2 1 3 试验比尺 模型设计应符合基本的相似准则 该试验基于 波浪模型试验规程 天津大学硕士学位论文 第二章波浪发电装置物理模型试验 J T J T 2 3 4 2 0 0 1 选用重力相似准则 基于原发电装置的尺度和实验室的设备情 况 选定模型试验的几何相似比尺为1 1 0 根据重力相似准则 可得其他比尺的 值 按1 1 0 的比例缩小的模型如图2 4 所示 多弋Y C I O S Ss e c t t o l i5 0 n 9 0 n P H D U L 0 t n A EC o E 盯E R 震 Il 图2 3 波浪水槽试验示意图 例视l 科 2 2 波能转换效率 俯视罔 图2 4 波能发电装置模型图 2 2 I 波能转换效率的定义 波能转换效率 2 9 1 是指摆式波力电站摆轴处输出的功率与波能的功率之比 它又分为两个部分 一个是摆板所受的波浪力矩对摆轴做的功与波能之比 称为 前导波能转换效率 另一个是摆轴处负载 反力矩 对摆轴做的功与摆板所受的 天津大学硕士学位论文第二章波浪发电装置物理模型试验 波浪力矩对摆轴做的功之比 称为摆式波力电站的吸能效率 或称吸能装置的波 能转换效率 表述如下 r l r l 1 铲 2 1 其中 r l l 为摆式波力电站的波能转换效率 M f d O t r z O 为前导波能转换效率 7 n 瓦矿 2 2 T M f d O t r l l 但 为吸能效率 r l l 但 告 一 M 咖d O t 0 2 3 其中 曰为摆板摆角 T 为波浪周期 E o 为波能流 M f 为摆板受的波浪 力矩 M f 为转轴处的输出力矩 单宽波峰线长度的平均波能流 波功率 E o 满足 瓦 p g H 2 q 8 2 4 其中 波群速度q 册 x 三 1 五面2 k h p 为水的密度 g 为重力 加速度 H 为波浪的波高 k 为波数 h 为水深 因此 总的波能转换效率计算时 统计n T 刀 1 时间内的波浪能和输 出功 得到平均波能转换效率 E j 玩2 2 上w H T M f d O t E n T Z M f O t d t a t L 一 2 5 p g H z Ct n T 8 2 2 2 波能转换效率的相关公式 日本的渡部富治教授根据摆板带动液压泵的试验 将系统及负载考虑为线形 变化 与摆角的角速度成正比例关系 3 0 M U o 0 2 6 并且 将水对摆板的影响也考虑为阻尼的形式 得到摆的运动方程为 I O U o 外 K O 眠s i n c o t 2 7 其中 为摆及附加水的转动惯量 为水动力阻尼 K 为摆的恢复力矩 1 9 为摆的角位移 N o 为负载产生的阻尼 M 为波浪推动力力矩振幅 天津大学硕士学位论文第二章波浪发电装置物理模型试验 可推得 等 m 0 一酱 汐 一尘红c o s 删 2 国 鼠 s i n h k h c o s h k h 砌 v 0 k ps i n h k h c o s h k h 1 2 8 2 9 2 1 0 2 1 1 2 1 2 式中 七为波数 0 9 为波频 f 为轴心到静水面的距离 h 为水深 B 为摆板宽 从上式可得 当波况条件确定时 就决定了摆角秒的最大值和水动力阻尼 2 2 3 波能转换原理应用 摆式波浪发电 可理解为由水质点的运动产生的波压力导致摆板运动 摆板 运动的过程 是摆板吸收能量的过程 立波的价值是增大波高 从而加大波压力 对于前导波能转换效率编n 来说 在电站的设计工况一定的情况下 波高日 1 和周期丁己知 由E 吉忍曰2 可知L 为已知 所以M f 秒为前导波能转换 效率编 1 的影响因素 主要与摆板的运动轨迹有关 所以可以通过探讨摆板运动 轨迹来实现对r u 的提高 吸能效率仇 2 的研究比较复杂 负载力矩M 心 的改变可能会影响摆板的运 动轨迹 从而影响M f 的值 所以可以通过对不同负载力矩M f 的吸能效率 7 犯 的研究找到一个最优值 从而提高吸能效率 本文中所进行的波浪发电装置物理模型试验主要研究总的吸能效率仇 通过 试验中测得转轴的转角口和转轴的扭矩即负载力矩M f 可计算出一定时间内 输出的功 得到波能发电装置的输出功率 根据对应情况的波高 周期和水深情 况 可算出波浪能的功率 利用公式 2 5 即可得到发电装置的波能转换效率 2 3 试验过程 整个物理模型试验的步骤可分为两个阶段 如图2 5 所示 第一个阶段研究的模型如图2 4 所示 水室前有一个起聚波作用的喇叭口 天津大学硕士学位论文 第二章波浪发电装置物理模型试验 在该阶段的试验中 又根据摆板的重心位置不同 分情况研究每种重心位置波能 转换效率的变化 在某种重心位置固定的条件下 再根据波况条件的不同 分情 况研究 本试验中 共设置了七种水深的规则波和一组不规则波 其中 在规则 波中 每种水深情况下又分别有不同的波高和周期 在结构形式和波况条件固定 的某种情况下 于转轴处施加不同的负载 观察摆板的运动情况并根据测得数据 计算波能发电装置的输出功率 第二阶段的研究是在第一阶段的基础上改变模型结构形式 去掉喇叭口 具 体研究方法和步骤与第一阶段情况相同 r一 i 一 图2 5 波能转换效率研究步骤图 在试验开始前 先要进行波浪的滤定 在不规则波浪水槽中造出试验所需要 的某种水深情况下的波高和周期 试验中在转轴处施加不同的正压力产生不同的接触摩擦力 可实现转轴上得 到不同的输出扭矩 以转轴上实际测得的扭矩作为负载进行计算 试验过程中 需要采集的数据有 摆板上的波压力 转轴上的扭矩 转角以 及水平和垂直力 2 4 试验数据 本论文研究规则波情况下 摆式波能转换装置的波能转换效率 因此选取了 三种波况条件下的物理模型试验数据 用来对数值模型进行可靠性验证 如表 2 1 所示 天津大学硕士学位论文第二章波浪发电装置物理模型试验 表2 1选取物理模型试验的三种波况条件 水深 m 波高 m 周期 s 波况条件一 0 4 7O 11 8 3 波况条件二0 4 4 5O 11 8 3 波况条件三0 3 9 50 11 8 3 2 4 1 波况条件一 在表2 1 所列波况条件一的情况下 于摆式波能发电装置的转轴处分别施加 三种不同的摩擦力 对应转轴上的扭矩和转角的试验结果如图2 6 2 8 所示 在图2 6 一2 1 2 中 将扭矩和转角反应在一张图中 比较两者的变化 均用 m o m e n t 表示转轴的扭矩 单位 N m a n g l e 表示摆板的转角 单位 l 第一种摩擦力情况下 转轴上的扭矩与摆板的转角变化曲线如图2 6 所示 10 1 f i2 0 t i me s 图2 6 波况1 负载1 时的扭矩与转角随时间变化图 2 第二种摩擦力情况下 转轴上的扭矩与摆板的转角变化曲线如图2 7 所示 10152 0 t i me s 图2 7 波况1 负载2 时的扭矩与转角随时间变化图 1 7 天津大学硕士学位论文第二章波浪发电装置物理模型试验 3 第三种摩擦力情况下 转轴上的扭矩与摆板的转角变化曲线如图2 8 所示 1 01 52 0 t i me s 图2 8 波况1 负载3 时的扭矩与转角随时间变化图 2 4 2 波况条件二 试验的波况条件 水深为0 4 4 5 m 波高0 1 m 周期1 8 3 s 在摆板转轴处施 加两种不同的摩擦力 对应转轴的扭矩和摆板的转角试验结果如图2 9 2 1 0 所 示 1 第一