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《清华大学》 2016年
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点吸收浮子阵列的波能转换特性研究

刘秋林  
【摘要】:波浪能作为一种新型可再生清洁能源,不仅蕴藏量丰富,而且应用前景广泛。至今已研发出多种形式的波能转换装置,可应用于发电或海水淡化。这些装置中,点吸收浮子式波能转换装置因其结构小、效率高、布置灵活、应用方便等特性受到广泛关注。为了更高效地利用和开发海域内的波浪能资源,需要精细化地评估该海域内的波浪能资源;需要比较分析该海域内所布置的各种振荡浮子式波能转换装置的运行特性,旨在获取最优的浮子结构;需要评估分析该海域内所布置的最优浮子结构的波能转换装置阵列的运行特性,旨在获得在相同海域面积内的最大波能转换效率。因此,研究点吸收式波能转换装置阵列的波能转换特性对于波浪能的开发意义重大。本文中采用了数值研究和物理试验等研究方法,对波浪能资源进行评估、探究了单浮子波能转换装置运行特性和阵列浮子波能转换装置运行特性。本文首先利用第三代波浪模型结合现场实测资料,对我国黄海斋堂岛海域进行了波浪模拟与波浪资源的评估,给出了该海域内波浪的特征参数,并根据模拟结果对波浪能流密度进行了计算和统计分析。而对于波浪场的量测,目前存在几种常见方法,针对浮子式量测设备开展了相应的物理模型试验,探究测波浮子在不同波浪条件下的测波性能,对比不同浮子结构对规则波和不规则波的特征波浪参数的量测结果。试验结果表明,较小的Wavescan浮子具有更完整、准确记录波浪参数的优势。在上述工作的基础上,利用流体-结构-动力输出模型对点吸收浮子波能转换装置进行模拟与研究,探究了浮子形状、吃水深度等对浮子结构俘获波能的影响,并结合入射波浪参数进行了优化设计。结果表明,浮子底部形状对于单浮子结构俘能的最大功率影响较小,但是圆锥形底部的浮子结构具有更宽的俘能频宽。在对单浮子结构进行优化的基础上,进一步研究了在波-流共同作用下点吸收浮子结构的水动力响应及俘获波能的表现,分析流速及流向等参数对海洋环境下的浮子式波能转换装置的影响,发现随着流速的增大,浮子结构的垂荡运动和俘能效率都会随之减小。最后,利用线性势流理论下的频域和时域计算,分别模拟了经过优化设计的点吸收浮子阵列,在规则波和不规则波浪入射条件下的水动力响应及波能俘获特性等。将阵列装置的俘能功率同单浮子结构进行对比,结果表明阵列装置能够更充分地利用波浪能资源,且在不规则波浪下,阵列中各浮子结构的俘获宽度比的差别小于规则波条件。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P743.2

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