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《武汉大学》 2016年
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共振式波能发电系统仿真分析及其提能装置实验研究

尚欣欣  
【摘要】:我国能源与经济发展在空间上呈不对称分布,分布式可再生能源的发展有利于就近解决负荷中心的用电量需求。我国拥有较长的海岸线,但是对于海洋这种取之不尽用之不竭的可再生能源宝库尚缺乏有效地大规模利用。主要技术瓶颈在于难以保证装置的稳定性、可靠性以及高效性。传统的波浪发电装置多是利用-个自由度上的运动,共振式波能发电装置理论上可利用垂荡和纵摇两个方向的能量,进行更为高效地捕能,从而提高波能的利用效率。本文首先介绍了波浪能发电装置发展现状以及液压传动技术在该领域已有的实际应用,接着根据我国南海波浪能流密度情况和共振式波能发电装置适合的工作海域,选定微振幅波浪理论描述波浪发电装置在涌浪区的波况,同时分析了共振式波能发电装置工作原理并描述了其动力学方程,然后应用CFD水动力学数值仿真软件,得到了在设定波况下发电浮体和水平横摆的运动时程曲线。从仿真计算结果可以得知:1.发电浮体振荡幅度越大,说明波浪能传递到浮体上的速度和能量就越大,因为浮体辐射的能量和波能装置运动有关,所以发电浮体兴波辐射能量也随之增大。2.在波激力的驱动下,发电浮体的垂荡运动幅度较小,而水平横摆的振幅较大,因此装置对流体域的辐射能量很小。通过波激力与水平横摆的共振,该波能发电装置可将吸收的波浪能有效地转换为水平横摆的动能。根据对样机进行理论计算得出的结果,本文进一步地针对样机轻载、低速、和功率较小的特点设计并实现了一套阀控液压提能装置,该装置由液压部分和电气监控部分组成,其特点在于它是共振捕能系统的一部分,在共振波能发电系统中起阻尼作用,通过对比例调速阀和比例减压阀开度的调节实现对提取能量的控制。最后结合数值仿真实验结果,通过对实验装置中液压泵、比例调速阀、三位四通换向阀以及相关电气控制元件的控制,近似模拟在涌浪区规则波作用下,发电浮体与水平横摆的相对运动所引起的液压缸位移,进而对液压提能装置进行了测试与实验,实验结果表明:1.蓄能器可以在换向过程中起到稳压补油作用,不过蓄能器充压过高且在液压缸换向时有可能会使管路内产生短时的负压,其原因在于液压油在管路内流动具有惯性,在换向短时间内会继续推动液压马达旋转,此时液压马达会将管路内的液压油泵至另一端单杆活塞液压缸的无杆腔内,同时由于蓄能器内充压过高补油不足,导致管路液压油流速不一致从而产生负压并引起管路颤振,可通过适当降低蓄能器充气压力和采取有压补油的方式消除影响;2.在对装置的整体性能实验中,该套装置开机时能迅速建立管路工作压力并在稳定运行时具有良好的静态稳定性。调节比例调速阀开度,装置可以在较短的时间内重新达到新平衡状态,液压装置工作时负载的压力一般需高于减压阀设定的压力值,进而可维持比例调速阀进口压力不变,通过对比例调速阀和减压阀开度的调节可实现对输出功率的控制;3.当输入功率稳定,负载波动不大时,可以较为准确地控制提取的能量。若负载突然减小,将导致转速急剧上升。在突然间甩负荷时,液压马达转速上升迅速,此时需要对比例调速阀开度进行节流控制,降低管路内流量。实验证明了根据共振式波能发电装置特点所设计的液压提能装置满足了原理以及设计要求。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM612

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