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碟型越浪式波能发电装置的系统设计及优化研究

刘娅君  
【摘要】:波浪能的开发利用可缓解当前日益紧张的能源危机和环境问题。我国海洋能资源丰富且分布于东部经济发达的沿海地区,具备开发利用的广阔前景。碟型越浪式波能发电装置作为一种新型越浪式波能转换装置,具备转换效率高、适应性好及可靠性高等优点。本文在前期工作基础上展开研究,着重考察能量的二次转换过程,采用理论分析、物理模型试验及数值模拟相结合的方法对装置各部分参数进行优化设计,并完成系统装配。 前期研究成果表明,原始装置可提供的水头较低,现有水轮机难以正常工作,本文提出两种适应于低水头水力开发的水轮机:曲面叶片式和轴流桨叶式,分析其结构形式及工作原理,由基本水力参数,完成两种水轮机的初步选型设计。对两种水轮机叶片进行受力分析,采用物理模型试验与数值计算结合的方法研究两种转轮的工作性能。 本文在自行设计的水轮机模型试验水箱中进行物理模型试验研究,结果表明,对曲面叶片式水轮机,导流装置的设置对水轮机的转速、扭矩及输出功率等性能参数均产生较大影响,应选取性能较好的流道模型作为进一步考察的对象;对轴流桨叶式转轮,流量是控制输出功率的关键参数。两种转轮的对比结果表明,轴流桨叶式转轮工作性能整体优于曲面叶片式。 本文进行曲面叶片水轮机的二维数值模拟,优化转轮的叶片数、叶片角等参数,获取优化后的叶形参数;建立轴流桨叶式水轮机的三维数值模型,考察流量、转速对输出性能的影响。数值计算结果表明,上述两种水轮机均可用于低水头发电,但对于本文涉及的碟型越浪式装置而言,轴流桨叶式更具优势。 研究水轮机正常工作对流量水头的要求发现,原始装置提供的流量远大于水轮机的需求,装置收集的大部分越浪量并未参与做功,而是直接溢出蓄水库,造成越浪量的损失。故装置的原始设计不合理,需对其进行优化。 本文建立越浪式波能发电装置的越浪一出流水力数值模型,经验证该模型能较准确地描述装置的越浪一出流过程,可在该数值模型中进行系统各参数的优化分析。本研究首先对越浪系统参数进行优化计算,获取装置内外径、引浪面斜率、装置高度等几何参数与越浪量的关系;在AQWA中对装置漂浮状态的运动影响进行分析,发现水平放置的底面板不利于装置维持自身平衡,易产生较大的纵摇及垂荡,而底面板倾斜有利于减小纵摇及垂荡幅度,减小自由漂浮的运动响应;对出流系统进行优化分析,建立出水管管长、管径与出流量的关系,得出圆锥形蓄水池具备良好的出流效果和较高输出效率的结论;装置锚固方式初步选定为用锚链张力腿型式,由六根张力腿锚固于海底的锚固基础上,装置的垂荡及纵摇状况均较为理想,可满足正常工作要求。 本研究完成碟型越浪式波能发电装置越浪系统、出流系统、低水头水力发电系统及锚固系统各参数的优化分析,给出优化后的各部分几何尺寸,最终完成系统的整体设计及装配方案。


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