点吸收式液态金属磁流体波浪能发电系统性能特性研究

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波浪能在海洋中分布广、储量丰富,具有广阔的开发和利用前景;然而,波浪具有低频、低速、往复的运动特性,这一直是波浪能向电能转换的难点。点吸收式液态金属磁流体(liquid metal Magnetohydrodynamics,LMMHD)波浪能发电技术,利用波浪巨大的作用力,直接驱动高电导率液态金属高速流过磁流体发电通道,切割磁力线,产生电能。该技术突破了传统波浪能发电系统不得不采用大增速比的机械部件或者复杂的液压增速系统所带来的系统效率低、控制复杂、运行维护困难等一系列问题;不仅提高了系统的可靠性,降低了系统造价;而且,大大提高了低海况响应能力,从而提高了波浪能的利用小时数。  为建立点吸收式LMMHD波浪能发电系统的理论体系、获得其性能特性及其影响因素和变化规律,论文结合在研课题,运用理论分析、数值模拟和实验验证等方法,进行点吸收式LMMHD波浪能发电系统性能特性的研究,以揭示点吸收式LMMHD波浪能发电系统内部多物理场耦合机理、获得系统外部性能输出特性及其变化规律,从而为点吸收式LMMHD波浪能发电技术的实用化研究提供理论指导和技术支持。  论文的主要工作和创造性成果包括:  (1)结合磁流体型能量输出(power take-off,PTO)系统特性,推导了磁流体型PTO系统的非线性阻尼系数,首次建立了计及磁流体型PTO系统非线性阻尼特性的波浪-浮体-磁流体型PTO系统数学模型;编写了系统性能频域计算分析程序,实现了规则波、水面垂荡点吸收式浮体以及磁流体型PTO系统之间耦合的数值模拟;数值计算结果与实海况试验结果吻合较好,验证了数学模型和计算方法的合理性。  (2)首次系统研究了点吸收式LMMHD波浪能发电系统性能特性的变化规律及其影响因素,得到了系数输出功率、负载电压、负载电流、浮体俘获宽度比、系统效率以及发电机效率等系统性能特性参数随MHD通道结构参数和个数、磁感应强度、负载系数、浮体直径以及速度比等因素的变化规律,为系统优化设计提供了理论依据。  (3)首次提出了基于恒功率曲线、恒电压曲线和恒电流密度曲线的点吸收式LMMHD波浪能发电系统的设计方法;完成了20kW点吸收式LMMHD波浪能发电系统的方案设计:在波高1.3m和周期5.2s的设计海况下,浮体直径5.25m,输出功率20.0kW,发电机效率79%,系统效率23%;研究了变工况条件下的系统性能特性,揭示了点吸收式LMMHD波浪能发电系统的输出功率、负载电压、负载电流、浮体俘获宽度比以及系统效率等性能特性参数随海况和负载系数的变化规律,为系统优化设计和最大功率跟踪提供了方法和理论依据。  (4)对比分析了典型液态金属的物化特性及对点吸收式LMMHD波浪能发电系统性能特性的影响,认为Na-K合金是点吸收式LMMHD波浪能发电系统最理想的发电工质、而Ga合金是目前最适合应用的发电工质;首次进行了液态金属与固体材料相容性和固液金属界面接触电阻的实验研究,得到了与Ga合金相容的电极、MHD通道绝缘壁以及液压油的材料。  (5)基于Fluent MHD模块,采用场路耦合的方法,实现了负载运行模式和往复外力作用下往复式LMMHD发电机全三维模型的数值模拟;研究了往复式LMMHD发电机内部电、磁、流场的时空分布规律特性,以及发电机输出性能特性;揭示了变截面过渡段对哈特曼流动特性、端部效应、发电机性能特性的影响规律;将三维数值计算结果与一维数值计算结果和实验结果对比,验证了三维数值计算方法的合理性和精确性。
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