基于横摇运动的微型波浪能吸收机理与转换装置研究

【摘要】：随着当代社会能源问题的日益紧张,可再生能源的开发与利用成为重要的发展方向。波浪能作为可再生能源的重要部分,具有绿色环保和储量丰富的特点,吸引了更多的投入与研究。一般来说,波浪能利用主要有两个方面,一种是大规模性的波浪发电,目的是满足人们对生产和生活用电的需求,相关的波浪能利用及其技术不断进步成熟;另一种是微型波浪能利用,目的是满足航标灯、水下航行器、水面航行器和监测浮标等小型海洋设备的用电需求。目前,关于微型波浪能利用及其相关技术的研究较少。针对小型海洋设备的能量供给问题,本文提出一种基于横摇运动微型波浪能转换装置,以横摇运动作为基本运动形式对微型波浪能进行吸收,设计一种新型的动力输出装置解决微型波浪能的能量转换问题。围绕微型波浪能吸收机理与转换装置,本文开展的创新性工作主要有以下几个方面:1、深入全面地总结了现有小型海洋设备的能量供给方式,概括归纳出一种微型波浪能转换装置的定义。本文结合应用背景与波浪能利用的相关研究,分别论述了小型海洋设备的能量供给技术、波浪能吸收方式以及能量转换的研究情况,并归纳出一种微型波浪能转换装置的定义,通过对波浪能的吸收、转换和存储,为小型海洋设备提供能量。在此基础上,对微型波浪能吸收与转换方面的相关技术及其存在的问题进行了总结。2、结合波浪特点分析微型波浪能吸收的可行性,提出了一种基于横摇运动的微型波浪能吸收方法。本文对波浪的运动特点与能量特点以及分布情况进行研究,运用微幅波理论对规则波和不规则波进行数学描述;结合浮体在波浪下的运动特点,比较了横摇运动和垂荡运动在微型波浪能吸收的优劣;确定以浮体横摇运动作为波浪能吸收方式,运用动量(矩)定理与欧拉方程,推导了浮体在波浪下的横摇运动方程,讨论了横摇运动用于微型波浪能吸收的可行性。3、以基于绝对横摇运动的单浮体波浪能转换装置为研究对象,深入分析了影响微型波浪能吸收的关键因素。根据浮体的横摇运动方程,提出并建立单浮体波浪能转换装置的数学模型与能量模型;在考虑浮体横摇过程中的非线性因素的基础上,运用解析法求解装置的数学模型;重点对浮体横摇固有频率及其影响因素进行分析,利用数值分析的方法讨论单浮体波浪能转换装置在规则波和不规则波中获得的能量。结果表明,单浮体装置在规则波中对波浪能的最佳吸收是通过浮体的谐摇实现的,而增大浮体的固有频率有利于提高装置在不规则波中对波浪能的吸收。4、提出了一种基于相对横摇运动的双浮体波浪能吸收方案,深入分析了参考第页系浮体设计对波浪能吸收的影响。以控制参考系浮体横摇运动为目标,本文讨论参考系浮体在水下的横摇稳定性及其影响因素;建立双浮体式波浪能转换装置数学模型并求解,利用数值分析的方法对影响装置的关键因素进行讨论,尤其是水下浮体对装置的影响;对利用双浮体相对横摇运动的波浪能吸收方式进行总结,给出双浮体波浪能转换装置的一般性设计思路。结果表明,水下浮体设计对波浪能吸收的影响是复杂的,而通过控制其横摇幅值,可避免水下浮体运动对装置的不利影响,从而稳定装置对波浪能的吸收。5、研究了一种内置惯性摆式波浪能吸收方案,深入分析了惯性摆参数设计对波浪能吸收的影响规律。对单自由度和二自由度惯性摆的动力学与运动学进行分析,考察其在外界激励下的运动响应;结合浮体的横摇运动方程,建立了单自由度内置惯性摆式波浪能转换装置的数学模型并进行求解,并通过数值分析的方法对影响装置的关键因素进行分析;对内置惯性摆装置的吸收方式进行总结,给出波浪能转换装置的一般性设计思路。结果表明,合理设计惯性摆的摆长,控制其固有角频率有利于提高惯性摆作为参考系的稳定性,而摆重的增加则拓宽了对PTO装置的选择范围,有利于提高装置对波浪能的吸收。6、针对微型波浪能转换装置中的能量转换部分,提出并设计了一种基于弹性储能装置的能量转换装置。以正向能量转换装置为研究对象,对其工作原理进行阐述。对弹性储能装置设计的关键问题进行研究,包括卷簧及其控制机构,重点对卷簧进行了有限元应力分析和模态分析,并设计了卷簧的输入、输出控制机构;研制了基于弹性储能装置的不带动力匹配环节的正向能量转换装置原理样机,分别通过手动试验和六自由度试验台模拟横摇运动的方法,对正向能量转换装置的工作情况进行测试。试验结果表明,负载两端测得的平均功率跟横摇周期有关,横摇周期越短,平均功率越大。为了提高装置的平均发电功率,应根据横摇周期合理设计动力匹配环节。 【关键词】：微型波浪能 波浪能吸收 波浪能转换 横摇运动 双浮体 惯性摆 转换装置 弹性储能装置 功率密度
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P743.2;P742
【目录】：

• 摘要14-16
• Abstract16-19
• 第一章 绪论19-39
• 1.1 课题来源与研究意义19-20
• 1.1.1 课题来源19
• 1.1.2 课题的研究背景和意义19-20
• 1.2. 小型海洋设备能量供给技术研究现状20-24
• 1.2.1 电池供给20-21
• 1.2.2 海洋能源转换21-24
• 1.3 波浪能转换装置的研究现状24-34
• 1.3.1 波浪能吸收技术研究现状25-31
• 1.3.2 能量转换技术研究现状31-34
• 1.4 微型波浪能转换装置的定义及特点34-37
• 1.5 论文的主要研究内容37-39
• 第二章 基于横摇运动的微型波浪能吸收机理39-60
• 2.1 波浪理论与波浪环境39-48
• 2.1.1 微幅波理论39-42
• 2.1.2 平面进行波42-45
• 2.1.3 随机不规则波与分布45-48
• 2.2 基于浮体横摇运动波浪能吸收分析48-57
• 2.2.1 基于浮体振荡的波浪能吸收方式48-51
• 2.2.2 基于动量定理的浮体横摇运动方程51-57
• 2.3 基于横摇运动的微型波浪能吸收的可行性分析57-59
• 2.4 本章小结59-60
• 第三章 微型波浪能吸收的关键因素分析60-92
• 3.1 单浮体装置数学模型与求解60-70
• 3.1.1 单浮体装置的提出与数学描述60-61
• 3.1.2 横摇运动的非线性61-65
• 3.1.3 单浮体装置的数学模型65-67
• 3.1.4 非线性微分方程的解析求解67-70
• 3.2 波浪能转换装置固有频率分析70-74
• 3.2.1 浮体的横摇固有频率71
• 3.2.2 横摇固有频率的影响因素71-74
• 3.3 单浮体装置在规则波下的数值分析74-84
• 3.3.1 数值分析准备工作74-76
• 3.3.2 浮体外形的影响76-78
• 3.3.3 浮体吃水深度的影响78-80
• 3.3.4 浮体重心位置的影响80-82
• 3.3.5 PTO等效弹簧刚度的影响82-84
• 3.4 单浮体装置在不规则波下的数值分析84-91
• 3.4.1 随机不规则波的数值模拟85-87
• 3.4.2 固有频率对装置的影响87-90
• 3.4.3 有义波高对装置的影响90-91
• 3.5 本章小节91-92
• 第四章 双浮体式波浪能转换装置与吸收机理92-119
• 4.1 双浮体式波浪能转换装置的描述92-93
• 4.2 浮体在水下横摇的横摇稳定性分析93-97
• 4.2.1 水下浮体在规则波下的横摇幅频响应93-95
• 4.2.2 规则波下浮体的横摇稳定性95-96
• 4.2.3 不规则波下浮体的横摇稳定性96-97
• 4.3 双浮体式波浪能转换装置的数学模型及求解97-101
• 4.3.1 双浮体式装置数学模型97-99
• 4.3.2 规则波下装置数学模型的近似求解99-101
• 4.4 水下浮体设计对装置波浪能吸收的影响101-110
• 4.4.1 水下浮体固有频率变化的影响103-107
• 4.4.2 水下浮体深度变化的影响107-110
• 4.5 设计实例110-117
• 4.5.1 设计思路110-112
• 4.5.2 面向二级海况的双浮体式装置的设计112-117
• 4.6 本章小结117-119
• 第五章 内置惯性摆式波浪能转换装置与吸收机理119-143
• 5.1 内置惯性摆式波浪能转换装置的描述119-120
• 5.2 惯性摆动力学与运动学分析120-125
• 5.2.1 单自由度惯性摆的角频率120-122
• 5.2.2 受迫惯性摆的动力学特性122
• 5.2.3 二自由度惯性摆的动力学分析122-125
• 5.3 惯性摆设计对波浪能吸收的影响125-137
• 5.3.1 单自由度内置惯性摆式装置数学模型125-128
• 5.3.2 摆长变化对波浪能吸收的影响128-133
• 5.3.3 摆重变化对波浪能吸收的影响133-137
• 5.4 设计实例137-142
• 5.4.1 设计思路137
• 5.4.2 面向二级海况的内置惯性摆式装置的设计137-142
• 5.5 本章小结142-143
• 第六章 基于弹性储能装置的能量转换与试验143-168
• 6.1 基于弹性储能装置的能量转换装置的工作原理143-148
• 6.1.1 能量转换装置的基本构成143-145
• 6.1.2 基于弹性储能装置的能量转换装置的工作原理145-148
• 6.2 弹性储能装置的设计及若干关键问题148-157
• 6.2.1 蓄能卷簧的设计与分析148-154
• 6.2.2 卷簧输入控制机构154-156
• 6.2.3 卷簧输出控制机构156-157
• 6.3 能量转换装置原理样机的研制与试验157-167
• 6.3.1 能量转换装置原理样机的研制157-158
• 6.3.2 发电机空载电压的测量158-160
• 6.3.3 发电功率的测量160-167
• 6.4 本章小结167-168
• 第七章 结论与展望168-171
• 7.1 全文总结168-170
• 7.2 研究展望170-171
• 致谢171-173
• 参考文献173-182
• 作者在学期间取得的学术成果182-184
• 附录A 风浪等级表184-185
• 附录B 大幅值惯性摆周期的推导185

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