论文部分内容阅读
波浪能资源蕴藏量丰富，开发潜力巨大。波浪能发电技术种类繁多，其中漂浮振荡水柱技术是一个重要发展方向。漂浮振荡水柱技术以一个浮体为支撑体吸收波浪能量，以管道中的空气为中间介质转换波浪能量，因此漂浮振荡水柱技术又可称为单浮体气动式技术。单浮体气动式技术结构简单，可工厂化规模生产，其后续能量转换机构不与海水接触，具有造价低、可靠性高、维护成本低的特点，因此提高转换效率对于单浮体气动式技术的发展具有重要意义。
单浮体气动式技术一般分为初级和第二级能量转换系统，影响整个系统的转换效率的因素很多，包括管道的形状和尺度。为了设计出能量转换性能高、可以大规模商业化的单浮体气动式波浪能发电装置，本文以波浪理论、振动理论、相似理论为基础，采用模型实验方法，研究管道对单浮体气动式波浪能发电技术初级能量转换性能的影响。研究内容如下:
1、中心管尾管影响
中心管技术是单浮体气动式技术的主要方向之一，结构简单，但是目前初级转换效率（俘获宽度比）不足50％，且通频带窄。为提高中心管技术能量转换效率，将发电装置中心管尾部由直管整体替换为锥形管，在二维水槽中进行单点系泊条件下的模型实验。实验测得在规则波喷咀比为0.02条件下，模型俘获宽度比最高可达到65.09％，并且有一个较宽的频带宽度;在随机波条件下，俘获宽度比最高可达50.16％。所测得最佳俘获宽度比及响应频带宽度都远优于比历史文献。以此为基础，设计样机，可以满足低波况海域航标灯用电要求，而且提高了经济性。
2.水平管道形状影响
后弯管技术能量转换性能优于中心管技术，但2010年以前性能提升有限，二维水槽实验中测得俘获宽度比最高仅为79.1％。近年来，导师所带领的课题组设计出的五边形后弯管模型在性能上取得突破。二维水槽单点系泊系统下俘获宽度比为121.34％。为了进一步提升后弯管技术一级能量转换性能，依据提高单浮体运动幅度可提高转换效率的理念，将五边形后弯管模型L型管水平部分形状由五边形改造为六边形，设计出六边形后弯管模型，在二维水槽单点系泊系统下进行实验。测得规则波条件最佳俘获宽度150.83％比五边形模型提高近30％，在0.35s的周期变化范围内，俘获宽度比集中在80％以上。
3.水平管道联通状态影响
高效的后弯管技术其拖航阻尼变大，增加了海洋工程的难度，而且实验发现，高俘获宽度比的后弯管装置存在异常晃动和难以控制对向角度的问题。为解决以上问题，通过去除后弯管水平管道靠近入射波方向壁面改变其联通状态，首次提出了直通管单浮体气动式技术概念。五边形直通管模型在规则波条件下俘获宽度比响应曲线具有双峰性，其最佳俘获宽度比为104.07％，波谷俘获宽度比为53.05％，在小周期情况下俘获宽度比优于同尺寸后弯管模型;在随机波条件下俘获宽度比最大值为82.18％。低重心六边形直通管模型一级能量转换性能进一步提升，最大俘获宽度比为113.20％。实验发现直通管模型具有异常晃动小、对向角度易于控制的特点，同时保留了后弯管模型的高效初级能量转换特性。研究发现直通管的单浮体气动式技术在小周期下浮体运动幅度小，具有岸式振荡水柱技术的能量转换特点，在长周期下运动幅度增大，具有振荡浮子技术的能量转换特点。
4.空气压缩性对样机设计的影响
为了设计高性能单浮体气动式波浪能发电装置样机，需要采用相似理论对模型进行放大。在采用模型试验结果反推原型样机必须考虑压缩性问题。如果装置内外气室压差相对大气压值过大，直接采用模型俘获宽度比作为对应样机俘获宽度比计算，会造成输出电功率推算偏大。依据依据模型实验值推算，1个装机100kW级的样机，其气室内外气压差平均值不到大气压的10％，气室内的气体可以不考虑压缩性，所以直接采用模型俘获宽度比推算样机的性能。
单浮体气动式技术一般分为初级和第二级能量转换系统，影响整个系统的转换效率的因素很多，包括管道的形状和尺度。为了设计出能量转换性能高、可以大规模商业化的单浮体气动式波浪能发电装置，本文以波浪理论、振动理论、相似理论为基础，采用模型实验方法，研究管道对单浮体气动式波浪能发电技术初级能量转换性能的影响。研究内容如下:
1、中心管尾管影响
中心管技术是单浮体气动式技术的主要方向之一，结构简单，但是目前初级转换效率（俘获宽度比）不足50％，且通频带窄。为提高中心管技术能量转换效率，将发电装置中心管尾部由直管整体替换为锥形管，在二维水槽中进行单点系泊条件下的模型实验。实验测得在规则波喷咀比为0.02条件下，模型俘获宽度比最高可达到65.09％，并且有一个较宽的频带宽度;在随机波条件下，俘获宽度比最高可达50.16％。所测得最佳俘获宽度比及响应频带宽度都远优于比历史文献。以此为基础，设计样机，可以满足低波况海域航标灯用电要求，而且提高了经济性。
2.水平管道形状影响
后弯管技术能量转换性能优于中心管技术，但2010年以前性能提升有限，二维水槽实验中测得俘获宽度比最高仅为79.1％。近年来，导师所带领的课题组设计出的五边形后弯管模型在性能上取得突破。二维水槽单点系泊系统下俘获宽度比为121.34％。为了进一步提升后弯管技术一级能量转换性能，依据提高单浮体运动幅度可提高转换效率的理念，将五边形后弯管模型L型管水平部分形状由五边形改造为六边形，设计出六边形后弯管模型，在二维水槽单点系泊系统下进行实验。测得规则波条件最佳俘获宽度150.83％比五边形模型提高近30％，在0.35s的周期变化范围内，俘获宽度比集中在80％以上。
3.水平管道联通状态影响
高效的后弯管技术其拖航阻尼变大，增加了海洋工程的难度，而且实验发现，高俘获宽度比的后弯管装置存在异常晃动和难以控制对向角度的问题。为解决以上问题，通过去除后弯管水平管道靠近入射波方向壁面改变其联通状态，首次提出了直通管单浮体气动式技术概念。五边形直通管模型在规则波条件下俘获宽度比响应曲线具有双峰性，其最佳俘获宽度比为104.07％，波谷俘获宽度比为53.05％，在小周期情况下俘获宽度比优于同尺寸后弯管模型;在随机波条件下俘获宽度比最大值为82.18％。低重心六边形直通管模型一级能量转换性能进一步提升，最大俘获宽度比为113.20％。实验发现直通管模型具有异常晃动小、对向角度易于控制的特点，同时保留了后弯管模型的高效初级能量转换特性。研究发现直通管的单浮体气动式技术在小周期下浮体运动幅度小，具有岸式振荡水柱技术的能量转换特点，在长周期下运动幅度增大，具有振荡浮子技术的能量转换特点。
4.空气压缩性对样机设计的影响
为了设计高性能单浮体气动式波浪能发电装置样机，需要采用相似理论对模型进行放大。在采用模型试验结果反推原型样机必须考虑压缩性问题。如果装置内外气室压差相对大气压值过大，直接采用模型俘获宽度比作为对应样机俘获宽度比计算，会造成输出电功率推算偏大。依据依据模型实验值推算，1个装机100kW级的样机，其气室内外气压差平均值不到大气压的10％，气室内的气体可以不考虑压缩性，所以直接采用模型俘获宽度比推算样机的性能。