论文部分内容阅读
波浪能作为海洋表面的一种可再生能源，分布广泛，开发潜力巨大。但由于海洋环境恶劣，波浪能量的不稳定、不集中，导致开发技术至今为止存在转换效率低、利用成本高、易遭毁坏等诸多问题。波浪能利用技术种类繁多，振荡水柱(OWC)技术是其中一个重要分支。OWC技术靠气动式能量摄取(PTO)系统转换波浪能量，结构简单、可靠性高、容易实施和维护，因此该技术在波浪能利用技术早期是研究的主流，然而由于目前实施的示范装置的转换效率不高以及认识的不足而逐渐退出发展主流。显然，OWC技术转换效率的提高对于解决波浪能利用技术中存在的转换效率低、利用成本高、可靠性差等问题具有重要意义。OWC技术种类众多，有岸基式和离岸漂浮式。本文分析了各类OWC技术的特点，特别是对中心管和后弯管这类振荡单浮体气动式技术的能量转换特点进行了深入分析和研究。主要开展了如下几个方面的研究工作并得到了一些结论:
1.高效的OWC技术主要靠浮体振荡吸收波浪能量。OWC技术可分为静止型OWC技术和运动型OWC技术。静止型OWC技术包含岸基式和漂浮固定式，这类技术主要靠水柱一维运动转换波浪能量，整个系统转换效率的提高有限;运动型OWC技术依靠浮体和水柱相对往复运动转换波浪能量。由于振动单浮体四周无遮挡具备良好的“天线”聚波条件，这类技术整体转换效率有望得到提高，如中心管和后弯管技术。
2.基于中心管技术发展的航标灯波力发电装置已实现了小规模应用，而其能量转换效率的研究还停留在上世纪90年代。中心管是一种轴对称振荡单浮体，自身作为能量转换的主体，可通过聚波和共振的方式吸收周围的波浪能。基于线性微幅波浪理论和边界元方法进行了水动力学研究，使用HydroStar软件对经典算例圆柱体和长方体的水动力系数进行计算，对比验证了计算结果的可靠性。建立单浮体波能装置受迫振动的数学模型，使用Matlab求解分析模型在波浪作用下的运动响应，在给定外加阻尼的条件下，计算模型的输出功率，并分析其能量转换特性。通过对不同半径和吃水深度的圆柱体模型计算，优化结果表明模型在固有频率附近运动响应幅度最大，能获得最大的俘获宽度比(CWR)，且最大值能超过100％。
3.根据数值计算结果，优化了中心管的管内径、吃水深度和浮体形状，通过实验研究其CWR。实验结果表明直管型中心管CWR最大可达70.25％，而历史文献值最高为50％,但响应频带较窄。将中心管尾部形状改为有一定角度的锥形变径段，模型的CWR曲线出现了双峰值，最高值为40.15％，远高于历史文献值11％，极大地扩宽了响应周期。响应宽度的扩展，对于提高装置在实海况上的转换效率有益。
4.基于对后弯管技术新的认识，通过理论分析和实验积累，以及数值计算对比了四种不同浮体的水动力系数，最后设计制造出一种新型的前方后三角浮力舱五边形后弯管模型。在造波水槽中进行初级能量转换实验研究，研究了约束方式、喷嘴比、链长与水深比、模型总质量、入射波波高和周期等对CWR的影响。在水槽中通过实验测得该模型CWR最高值为121.34％，远优于同样实验条件下历史文献中最优模型的CWR79.1％。在宽水池实验条件下，测量了五边形后弯管在规则波下的CWR高达146.8％，不规则波条件下的CWR高达89.1％。
5.为了应用结构简单、转换效率高的单向空气透平，本文对单向气流做功的后弯管技术的CWR进行了系统研究。在后弯管上添加单向阀，在排气过程中，单向阀自动关闭，空气流从喷嘴喷出对外做功;在吸气过程中，单向阀开启，空气主要从阀门被吸入气室，对外不输出功，近乎无阻尼。在造波水槽中测试了五边形后弯管单向做功的CWR。实验表明，模型在整个规则波波周期内CWR的平均值最高达到100.94％，不规则波下的CWR平均值最大可达62.83％。后弯管输出单向气流做功的CWR与输出往复气流做功的CWR相差不大。实验证明后弯管技术的高效转换主要依靠自身往复运动转换波浪能量。
6.按相似原理对五边形后弯管模型放大约3.35倍，设计并制造了重约1.3t的小型样机。首先测试了后弯管输出双向气流做功的特性，在规则波下其CWR高达185.98％，在不规则波下其CWR可达85.86％，然后使用配套的威尔斯透平发电机组进行波电转换实验时，规则波下总效率最大仅为33.43％，不规则波下最高仅为15.82％。在后弯管上添加单向阀使其输出单向气流做功，在规则波作用下，其CWR最高可达129.75％;在不规则波作用下，其CWR最高可达96.16％。安装与之相匹配的单向冲动式透平发电机组，规则波下波电转换总效率高达41.68％，不规则下波电转换总效率高达27.10％。五边形后弯管技术表现出良好的能量转换特性，空气透平性能对整个系统的转换效率影响大。
1.高效的OWC技术主要靠浮体振荡吸收波浪能量。OWC技术可分为静止型OWC技术和运动型OWC技术。静止型OWC技术包含岸基式和漂浮固定式，这类技术主要靠水柱一维运动转换波浪能量，整个系统转换效率的提高有限;运动型OWC技术依靠浮体和水柱相对往复运动转换波浪能量。由于振动单浮体四周无遮挡具备良好的“天线”聚波条件，这类技术整体转换效率有望得到提高，如中心管和后弯管技术。
2.基于中心管技术发展的航标灯波力发电装置已实现了小规模应用，而其能量转换效率的研究还停留在上世纪90年代。中心管是一种轴对称振荡单浮体，自身作为能量转换的主体，可通过聚波和共振的方式吸收周围的波浪能。基于线性微幅波浪理论和边界元方法进行了水动力学研究，使用HydroStar软件对经典算例圆柱体和长方体的水动力系数进行计算，对比验证了计算结果的可靠性。建立单浮体波能装置受迫振动的数学模型，使用Matlab求解分析模型在波浪作用下的运动响应，在给定外加阻尼的条件下，计算模型的输出功率，并分析其能量转换特性。通过对不同半径和吃水深度的圆柱体模型计算，优化结果表明模型在固有频率附近运动响应幅度最大，能获得最大的俘获宽度比(CWR)，且最大值能超过100％。
3.根据数值计算结果，优化了中心管的管内径、吃水深度和浮体形状，通过实验研究其CWR。实验结果表明直管型中心管CWR最大可达70.25％，而历史文献值最高为50％,但响应频带较窄。将中心管尾部形状改为有一定角度的锥形变径段，模型的CWR曲线出现了双峰值，最高值为40.15％，远高于历史文献值11％，极大地扩宽了响应周期。响应宽度的扩展，对于提高装置在实海况上的转换效率有益。
4.基于对后弯管技术新的认识，通过理论分析和实验积累，以及数值计算对比了四种不同浮体的水动力系数，最后设计制造出一种新型的前方后三角浮力舱五边形后弯管模型。在造波水槽中进行初级能量转换实验研究，研究了约束方式、喷嘴比、链长与水深比、模型总质量、入射波波高和周期等对CWR的影响。在水槽中通过实验测得该模型CWR最高值为121.34％，远优于同样实验条件下历史文献中最优模型的CWR79.1％。在宽水池实验条件下，测量了五边形后弯管在规则波下的CWR高达146.8％，不规则波条件下的CWR高达89.1％。
5.为了应用结构简单、转换效率高的单向空气透平，本文对单向气流做功的后弯管技术的CWR进行了系统研究。在后弯管上添加单向阀，在排气过程中，单向阀自动关闭，空气流从喷嘴喷出对外做功;在吸气过程中，单向阀开启，空气主要从阀门被吸入气室，对外不输出功，近乎无阻尼。在造波水槽中测试了五边形后弯管单向做功的CWR。实验表明，模型在整个规则波波周期内CWR的平均值最高达到100.94％，不规则波下的CWR平均值最大可达62.83％。后弯管输出单向气流做功的CWR与输出往复气流做功的CWR相差不大。实验证明后弯管技术的高效转换主要依靠自身往复运动转换波浪能量。
6.按相似原理对五边形后弯管模型放大约3.35倍，设计并制造了重约1.3t的小型样机。首先测试了后弯管输出双向气流做功的特性，在规则波下其CWR高达185.98％，在不规则波下其CWR可达85.86％，然后使用配套的威尔斯透平发电机组进行波电转换实验时，规则波下总效率最大仅为33.43％，不规则波下最高仅为15.82％。在后弯管上添加单向阀使其输出单向气流做功，在规则波作用下，其CWR最高可达129.75％;在不规则波作用下，其CWR最高可达96.16％。安装与之相匹配的单向冲动式透平发电机组，规则波下波电转换总效率高达41.68％，不规则下波电转换总效率高达27.10％。五边形后弯管技术表现出良好的能量转换特性，空气透平性能对整个系统的转换效率影响大。