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水平轴海流能发电机械关键技术研究

刘宏伟  
【摘要】: 经济和社会不断发展使人类对能源的需求持续增加,同时人类又面临着严重的环境保护问题,如何实现经济和社会的可持续发展是世界各国所面临的共同问题。海流能是一种新型绿色可再生能源,其蕴藏量巨大,但恶劣的海洋环境是海流能开发的不利条件,它给透平装置、机械结构的设计及机组的功率稳定输出带来很大的困难。研究论证水平轴式海流能发电装置的可行性、提高其恶劣环境下的生存能力及可靠性、提高机组的功率稳定性并实现最大能量捕获等都是海流能开发领域中的重要课题。 作为一种系统集成创新的利用海流动能来发电的装置,水平轴式海流能发电装置的研制存在若干关键技术,本文通过理论分析、数学仿真及厂房试验、现场试验等手段对其进行了研究。首先通过动量理论对叶轮的最大能量捕获规律进行分析,并运用流体动力学理论及数值模拟方法对叶片翼形进行水动力学特性的研究及设计。在传动系统方面,重点研究了三分流三合流的半直驱式传动方案及液压式能量传动方案,通过对半直驱传动方案的厂房试验结果、现场试验结果及液压传动方案的仿真试验结果的分析,明确两种传动方案的优缺点。功率输出的稳定性及能量捕获的最大化也是海流能发电装置的一个关键技术,论文在对电气控制方案实现最大能量捕获控制方式进行简单介绍后,对采用液压容积调速方法的液压式能量传动系统在功率稳定及最大能量捕获方面的应用进行了重点研究,结果表明带蓄能器及液压式容积调速方案的液压能量传动系统在能量最大捕获及功率输出稳定性方面性能良好。对变桨距原理及其控制算法在功率稳定控制方面的作用进行了半物理仿真试验,结果表明当水流流速大于额定流速时,变桨距机构可以使叶轮功率稳定在额定功率附近。 另外,课题对海流能发电装置的耐腐蚀、密封系统、刹车装置、电气负载、主控制系统及现场安装方式等都进行了研究。 论文各章内容分述如下: 第一章论述了海流能发电装置研究的背景、目的和意义;介绍了国内外在海/潮流能发电技术方面的进展及现状,最后总结了当前海流能发电装置研究方面亟待解决的部分科学技术问题。 第二章运用动量理论、相关水动力学理论及角动量理论对水平轴式海流能发电装置的叶轮最大能量捕获规律进行分析,运用叶素理论对叶片翼形进行受力分析,随后介绍气蚀理论及水平轴式海流能发电装置的组成结构、工作机理。 第三章分述了水平轴式海流能发电装置的关键技术问题。通过理论分析及数值模拟方法对叶片水动力学特性及其结构进行研究;对变桨距机械结构进行理论计算及设计;进行半直驱传动方案设计并引申出液压传动方案;对机组电气负载控制系统及相关附件进行介绍。 第四章研究了液压传动系统在水平轴式海流能发电装置中的应用,包括液压传动系统的设计、元器件选型;并在AMESim软件及Matlab/Simulink下对系统整体进行建模及仿真,将其结果与半直驱传动方案的仿真结果进行对比,得出相关结论。 第五章介绍了水平轴海流能发电装置的变速运行理论及变桨距控制理论。从电力电子控制及液压控制两种方式上对变速运行控制策略进行介绍,并重点对采用液压容积调速方式实现叶轮能量最大捕获进行研究;最后对变桨距控制原理及算法实现功率稳定进行了半物理仿真试验。 第六章对5kw原理样机的现场试验进行介绍,分析试验结果;对25kw级半直驱传动方案机组的厂房试验及现场试验进行介绍,根据试验结果对机组的效率及叶轮特性等进行分析总结。 第七章概括了论文的主要研究工作和研究成果,并对本课题今后的研究工作和研究方向讲行展望。


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