基于水下阻尼盘的浮体绳轮波浪发电方案的研究

摘要

随着经济和社会的发展，化石能源的大量应用造成越来越严重的能源问题与环境问题，世界各国均制定能源战略，推动可再生能源的发展。波浪能在海洋中储量丰富，具有分布广泛、能量密度高的特点，拥有广阔的应用前景。本文研究的是一种基于水下阻尼盘的浮体绳轮波浪发电装置，主要利用浮体和阻尼盘的相对运动采集波浪能，转化为电能，该方案利用阻尼盘加大弹簧上的拉力，从而提高装置的收绳能力，同时还可以简化绳轮结构，使装置响应潮位的变化，实现双向发电。
　　本文首先介绍了带水下阻尼盘的浮体波浪发电装置的基本原理，并且从理论分析、计算与设计、软件仿真、模拟实验等方面对发电装置进行研究。本文的主要研究内容有:
　　(1)对浮体阻尼盘发电装置的工作原理进行介绍。根据线性波理论，对浮体和阻尼盘在海水中运动进行研究，建立数学模型，推导出垂荡过程中浮体和阻尼盘运动的微分方程。
　　(2)依据运动方程，选取不同的阻尼盘的质量，利用Matlab软件分别计算浮体和阻尼盘的运动响应，比较两者相对运动的大小，为装置设计提供基础。然后对发电机的阻尼系数进行研究，通过对能量采集功率的对比，优化设计发电机的阻尼系数。最后，对主绳缆进行受力分析，由主绳缆张紧的条件得到阻尼盘所受重力与浮力的关系。
　　(3)对阻尼盘的结构进行设计，接着利用ANSYSWorkbench软件，根据阻尼盘在吊卸过程中的受力，对阻尼盘进行静态载荷分析，然后根据其在海水中的受力进行动态载荷分析，校核其强度和刚度。
　　(4)为了研究装置在海洋中的运动，运用AQWA软件进行运动仿真，采用频域分析和时域分析，计算出模型的幅值响应算子(RAOS)、附加质量等参数，分析浮体和阻尼盘在规则波与不规则波下的运动响应，研究能量采集装置(PTO)系数对采集功率的影响，对有阻尼盘和无阻尼盘两种方案中的能量采集功率进行对比。
　　(5)根据相似原理设计浮体阻尼盘波浪发电装置模型试验，测量卷筒的转速，计算装置的能量采集效率，通过对比实际采集功率和仿真计算功率，检验浮体阻尼盘波浪发电方案的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题研究的背景

1．1．2 课题研究的意义

1．2 波浪能发电装置研究现状

1．2．1 振荡水柱式波浪能装置

1．2．2 摆式波浪能装置

1．2．3 筏式波浪能装置

1．2．4 鸭式波浪能装置

1．2．5 越浪式波浪能装置

1．2．6 振荡浮子式波浪能装置

1．3 课题提出

1．4 主要研究内容

第2章 浮体阻尼盘波浪发电方案基本原理

2．1 波浪基本理论

2．1．1 波浪理论分类及选定

2．1．2 线性波理论

2．2 浮体阻尼盘发电装置的结构

2．3 浮体阻尼盘发电装置的工作原理

2．4 浮体阻尼盘发电装置数学模型

2．5 本章小结

第3章 浮体和阻尼盘运动响应

3．1 阻尼盘质量对运动响应的影响

3．2 发电机阻尼研究

3．3 主绳索受力分析

3．4 本章小结

第4章 阻尼盘的设计与校核

4．1 阻尼盘的结构设计

4．2 基于ANSYS的阻尼盘的结构分析

4．2．1 阻尼盘静力分析

4．2．2 模态分析和谐响应分析

4．3 本章小结

第5章 浮体和阻尼盘动力学研究

5．1 AQWA软件简介

5．2 前处理设置

5．3 频域分析

5．4 时域分析

5．4．1 浮体和阻尼盘的运动响应

5．4．2 阻尼装置对采集功率的影响

5．4．3 有无阻尼盘采集功率的分析

5．4．4 浮体和阻尼盘在不规则波下的响应

5．5 本章小结

第6章 浮体阻尼盘发电装置模型实验

6．1 模型实验理论基础

6．2 实验设备

6．2．1．实验水池

6．2．2 造波和消波装置

6．2．3 装置模型

6．3 实验过程及结果分析

6．4 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况