振荡浮子式波能发电装置在极端工况下的运动约束设计与波能发电效率分析开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1研究目的及意义

自工业革命以来,随着人类社会的不断发展与进步,对能源的需求也越来越大。然而地球上传统的煤、石油、天然气等化石能源的储备是有限的,经过近两个世纪的开采挖掘已使用过半,能源危机是人类目前不得不考虑的问题。根据2018年的《BP世界能源统计年鉴》[1]数据,按照当前的使用速度,世界上总煤炭、天然气、石油储量分别仅能供应134年,52.6年和50.2年。同时,过度的能源消耗会产生严重的生态环境问题:大量的地下开采导致地表被破坏;植被减少导致水土流失;海洋中钻井平台原油泄漏会污染海水,进而导致大量的海洋生物死亡;化石原料燃烧产生的CO2等温室气体的排放,导致全球的气候变暖,极地冰川融化,海平面上升,使得人类赖以生存的陆地面积减少。特别值得注意的是,国内一些省市近几年发生的严重雾霾等现象,也是由于化石能源的消耗的产物。全球能源短缺和生态环境恶化的问题严重威胁着人类社会的可持续发展,受到越来越多国家政府和国际组织的密切关注。

为了解决目前急迫的能源与环境问题,寻找可再生的清洁能源成为世界各国的共识,于是人们将目光投入到蕴藏巨大能量的海洋。地球上海洋面积占总面积的70%,海洋中的能量以波浪能、潮汐能、海洋风能、海水温差能、海水盐差能、海洋生物质能等形式存在。据估算,其中的潮汐能约27亿kw,波浪能约25kw,海流能约50亿kw,温差能约20亿kw,盐差能约26亿kw[2],而波浪能因其能量密度最高,分布范围广且获取难度较低,成为各国可再生能源发展的重点[3]。于是国内外众多的研究学者将目光投入到海洋能的开发和利用中,发明了许多巧妙而有趣的波浪能发电装置,比如点头鸭式、振荡水柱式、摆式、振荡浮子式等等,形式各异,具备不同的优势。经过数十年的探索研究,人们对这些波能转换装置的发电理论原理和实验数据已基本掌握,目前的重点在于提高各装置的波能转换效率,同时延长其使用寿命,降低生产成本。本文就是以振荡浮子式波能转换装置为例,设计了一种在极端工况下的运动约束,使装置能在极端海况下不被破坏并且仍能正常工作,同时分析装置在不同工况下的波能转换效率。

我国陆域辽阔,边界线曲折,海岸线长达1.8万千米,拥有37万平方公里的领海和300万平方公里的海洋专属经济区[4],这些优越的地理条件使我国拥有极其丰富的海洋资源。根据相关数据保守估计,我国波浪年平均功率约为1.3×107 kW,如果将这些资源转化为有用的动力值,相当于我国目前电力总装机量的 2 倍多[5],因此发展海洋能势在必行。在党的“十八大”报告中明确指出,提高海洋资源开发能力,对到2020年全面建成小康社会具有重要指导意义。自“十一五”以来,国家将海洋能作为重点发展对象,给予大量的政策与经济支持。在如此庞大的能源潜力和有利的政策鼓励下,本文对于振荡浮子式波能转换装置的研究能避免装置在极端海况下的破坏,同时提高其波能转换效率,具有十分重要的研究意义。

2国内外研究现状

2.1国外研究现状

英国具有世界上最好的波浪能资源。从20世纪70年代以来,英国就把波浪发电研究放在新能源开发的首位,投资1 700多万英镑研究波浪能装置,使英国在波浪能发电技术方面处于世界领先地位[6]。英国波浪能装置大部分量级为百千瓦 (如蚝式Oyster) ,少数已达到兆瓦量级 (如海蛇Pelamis)。其发展趋势为装置的大型化与高可靠化,同时提出阵列布置的方案,主要研究内容为能量摄取最大化、波浪-用户全链条优化、阵列布置策略、高海况生存可靠性等[7]

日本也十分重视波浪能的研究与开发。它的10多家研究与开发机构既有明确分工又有效协调,并重视技术向生产应用的转化研究,使日本在波浪能转换技术实用化方面走在世界前列[8]。日本海洋科学技术中心在1987年启动了一项耗资10亿日元的“巨鲸”波浪能发电装置开发研究项目,“巨鲸”波能发电船是基于振荡水柱波能发电原理的浮式波浪能发电装置,最大总发电效率为12%,其优势在于既能进行波浪能发电,又可以作为独立平台使用[7]。目前日本已建成4座岸基固定式和防波堤式波能发电站,走在世界波能发电前列。

挪威于1985至1986年,分别建成了一座装机容量为500 kW的带前港振荡水柱岸式波力电站和一座装机容量为350 kW的喇叭口收缩波道式聚波水库波力电站,这两座电站是挪威在80年代中、后期成为国际波能领域领头国家的标志[9]。在90年代初又建造了一座容量为1万kW的波力发电站,均已达到商业应用程度。

在文献方面,Zheng和Zhang[10]研究了多个二维矩形浮体在有限水深中漂浮的绕射和辐射问题,建立了分析波浪激振力及附加质量和附加阻尼的解析模型,通过仿真得到通过仿真得到的水平与垂直激振力、附加质量、附加阻尼、反射系数和透射系数等数据,与现有数据的比较,验证了模型的有效性。

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