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. 研究目的与意义(文献综述)

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。

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2. 研究的基本内容与方案

研究基本内容

振荡浮子式波能发电装置是被最为广泛研究的波能发电装置之一,具有轴对称的特点,其发电效率不受浪向改变的影响。该装置将波浪引起的浮子运动转换成动力输出装置的机械能,进而将机械能转换成电能,其转换效率较高,且非常适合布置成阵列式用于大型波能发电场的开发。目前,国内外的学者针对基于线性PTO的浮子式波能发电装置的研究较为深入,然而线性PTO的设计使得波能的最优转换带宽较小,只能在浮子振荡固有频率附近的波浪条件下才能取得较好的波能转换效果。此外,在极端海况下,浮子的振荡运动需要额外控制以保证浮子不产生过大运动,从而保证装置的安全。因此,本毕业设计主要针对振荡浮子式波能发电装置在极端海况下的运动控制系统设计,并考虑非线性PTO刚度及阻尼,进而分析扩大波能最优转换带宽的方法,评价其波能发电效率。


技术路线

本文首先通过查阅大量文献,掌握了振荡浮子式波能转换装置的发展历程、趋势和技术难点,同时熟悉波能转换装置的水动力分析的基本原理和方法;然后选取振荡浮子式波能转换装置的相关基本参数,并对波能转换装置进行简化,建立了动力分析模型;利用Gambit软件按装置各参数建模,再通过三维势流软件DIFFRACT,计算波能转换装置的水动力特性;并建立线性和非线性PTO模型、运动控制模型及时域运动模型,分析波能转换装置的能量转换效率;最后分析PTO参数对波能转换效率的影响,分析运动控制系统在极端海况下的性能,并最终评价其在极端海况下的波能转换效率。


相关参数选取

浮体半径

3m

浮体吃水深度

1m

浮体密度

500kg/m3

水槽波高

0.08m

波浪频率

3.14rad/s-6.28rad/s

水槽水深

0.55m

水槽长度

13m

水槽高度

0.55m

BPTO

3-30 Ns/m

粘性系数

1.4

系泊刚度

84N/m


3. 研究计划与安排

进度安排

编号

任务名称

时间节点

1

文献查阅

第1-2周

2

选取振荡浮子式波能转换装置相关参数

第3周

3

利用Gambit建模,完成网格划分

第4周

4

完成波能转换装置的频域水动力分析,并建立时域运动模型

第5-6周

5

利用MATLAB编程,引入运动控制系统,在运动较大时增加约束刚度与阻尼

第7-8周

6

选取合适的极端海况,分析极端海况下的波能转换效率

第8-10周

7

对比线性刚度和非线性刚度的PTO设计及其性能

第11-12周

8

完成毕业设计论文

第13-14周

4. 参考文献(12篇以上)

5参考文献

  1. 世界能源统计年鉴. 2018

  2. 马冬娜.海洋能发电现状分析.科技资讯.2015(20):224-225

  3. 李琳娜,史宏达,董晓晨.波浪能研究发展概况[j].中国水运(下半月),2017,17(07):256-257.

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