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振荡浮子式波浪能发电装置的仿真研究毕业论文

 2020-02-18 12:02  

摘 要

在当今的时代,低碳环保成为一个重大的课题。寻找清洁的新能源成为各国科研人员的重要研究方向和课题之一。海洋波浪能作为无污染的可再生能源中的一员,因其分布广泛、储量巨大、开发前景广阔而成为了新的开发热点。本文详细介绍了四种极具研究价值和商业价值的波浪能发电装置的工作原理,并讨论了其各自的优点,重点介绍了振荡浮子式波浪能发电装置的发展现状和研究成果。

本文以美国能源部参考模型项目中的双体振荡浮子式波浪能发电装置RM3作为研究对象,利用ANSYS-AQWA和WEC-SIM对RM3装置进行了建模和计算,并将相关结果与文献中的结果进行了对比,验证了本文建模和计算结果的准确性。本文同时考虑了波浪周期、波高及动力摄取系统的阻尼对RM3装置性能的影响。

关键词:波浪能;振荡浮子式波浪能发电装置;ANSYS-AQWA软件;WEC-SIM

Abstract

In today's era, low-carbon environmental protection has become a major issue. Finding clean new energy has become one of the important research directions and subjects for researchers all over the world. As one of the pollution-free renewable energy sources, ocean wave energy has become a new development hotspot because of its wide distribution, huge reserves and broad development prospects. In this paper, the working principles of four kinds of wave energy generating devices with great research value and commercial value are introduced in detail, and their respective advantages are discussed.

In this paper, RM3, a double-body oscillating float-type wave power generation device in the reference model project of the U.S. department of energy, was taken as the research object, and the modeling and calculation of RM3 device were carried out by using ANSYS-AQWA and WEC-SIM, and the results were compared with those in the literature to verify the accuracy of the modeling and calculation results in this paper. The influence of wave period, wave height and damping of the power intake system on the performance of RM3 device is also considered.

Key Words: wave energy; point absorber; ANSYS - AQWA; WEC-SIM

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2波浪能发电装置的分类及工作原理 3

1.2.1波浪能的简介 3

1.2.2波浪能发电装置的分类 3

1.3国内外研究现状 6

1.3.1国外研究现状 6

1.3.2国内研究现状 10

1.4研究内容及预期目标 10

1.4.1研究内容 10

1.4.2预期目标 11

第二章 理论部分 12

2.1 ANSYS-AQWA的工作原理 12

2.1.1 ANSYS-AQWA简介 12

2.1.2 ANSYS-AQWA理论介绍 12

2.1.3 ANSYS-AQWA模块介绍 13

2.1.4 ANSYS-AQWA水动力分析流程 14

2.2 WEC-SIM的理论基础 14

2.2.1 WEC-SIM的相关理论 15

2.2.2 WEC-SIM的仿真操作流程 16

2.3本章小结 17

第三章 单浮体模型数值验证 18

3.1 RM3发电装置垂荡运动模型 18

3.2 RM3发电装置中浮子的数值结果验证 19

3.2.1 RM3发电装置浮子模型的建立 19

3.2.2 RM3数值验证 20

3.3本章小结 21

第四章 双浮体模型数值验证 22

4.1 RM3双浮体模型的受力数值验证 22

4.1.1 RM3发电装置模型的建立 22

4.1.2数值验证 23

4.2 RM3双浮体模型的运动数值验证 25

4.2.1仿真模型的建立 26

4.2.2数值验证 26

4.3本章小结 28

第五章 RM3发电装置的参数化研究 29

5.1波浪环境的影响 29

5.1.1数据处理 29

5.1.2周期 31

5.1.3波高 31

5.2 动力摄取系统的影响 32

5.2.1数据处理 32

5.2.2阻尼系数 33

5.2.3刚度系数 33

5.3本章小结 34

第六章 结论 35

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1研究背景

能源是现代社会发展的三大支柱之一,没有能源便没有发达的现代社会。然而随着全球经济一体化的发展,各国之间的合作与交流越来越紧密;随着发达国家的资金大量投入到发展中国家中,发展中国家的现代化进程不断加快;而随着发展中国家现代化进程的高速发展,全球每年对能源的需求也在不断提高。化石能源作为现代社会经济发展的主要能源,其属于一次能源,包括煤炭、石油和天然气等。它们的储量不是无限的,一旦用完,难以在短时间内得到补充。同时,经过各国数十年甚至上百年的毫无节制的大规模开采,其储量已经不能满足现代社会的长期发展了。据2018年发布的《BP世界能源统计年鉴》中的数据来看,全球石油的储采比为50.2年,天然气已探明的储量只能满足生产52.5年,而煤炭的储采比只有39年[1]。同时,科技的发展还会进一步推动生产的进步,往后我们对能源的需要只会越来越多。因此,上面的数据还只是一个乐观的估计。

根据MBA智库百科的定义,能源危机是指由于能源短缺而导致能源供应紧张,能源价格不断上涨而形成的危机[2]。从定义中,我们可以看出能源危机的产生最主要还是来自于能源短缺,而能源短缺又可以分为两个方面,一个是现有可利用的能量储量不足,另一个是供应跟不上社会发展的需求,即可供使用的能量虽然储量巨大,但由于相关的开发利用技术还不成熟,导致新的能源还不能进行大规模的开发利用。图1.1是2017年主要国家能源消费结构图[1]。从图1.1中可以看出,对于非化石能源的使用比例,只有欧洲几个国家和加拿大的非化石能源消耗量超过了本国总消耗能量的15%,其中德国的可再生能源(不含水利发电)在能源消费结构中的占比最高为13.4%,是世界平均水平的4.2倍,加拿大的水利发电在能源消费结构中的占比最高达到了25.8%,是世界平均水平的3.7倍。然而即使各国正在逐渐的加强对可再生能源和水利发电的开发与利用,但是传统的化石能源仍然作为主流能源占据着各国能源消费结构比重的排行首位,并且地位极难动摇。随着煤炭、石油、天然气等化石燃料的枯竭,寻找可替代传统能源的任务必须被提上日程了。

与之相对应的,寻找新能源的另一个目的是解决碳排放问题。由于全球经济的发展和发展中国家的现代化进程的加快,许多国家的化石能源消耗量正在逐年增加,由此带来的问题是因大量的二氧化碳被排放到大气中而引起的全球变暖。前几年,全球变暖一度成为热门话题,甚至在国内引起过恐慌,后来证实不过是虚惊一场,但足以给我们敲响警钟。为此,全球多个国家在2016年加入了《巴黎协定》,一起做出了承诺:从2020年开始,使本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内,并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5摄氏度以内[3]。这是各国对环境保护,降低碳排放第三次宣战的号角。

降低GDP的二氧化碳的强度,有两种解决办法,一种是节能,即节约使用化石能源或者改进生产技术和工艺,提高化石能源的利用率;另一种便是用其他干净清洁的新能源来代替传统的化石能源,即通过理论研究和科学实验来寻找合适的新能源,实现新能源对传统能源的代替[4]。对于这两种方法,节能只能治标不能治本,原因在于传统的化石能源储量有限,已经不足以满足现代社会的长期发展了。因此,解决二氧化碳的根本办法便在新能源的开发与研究,以实现新能源代替旧能源,促进现代社会的长期高速发展。

综上所述,能同时从根本上解决能源危机和碳排放问题的方法便有且只有一个,那便是开发新能源。研究开发新的清洁可在生能源,一方面可以缓解甚至是解决能源危机,另一方面可以降低碳的排放,减少对环境的污染。同时,掌握了新能源就掌握了发展的主动权,这对我国在新的一轮国际竞争中有着极其重要的意义。

图1.1 世界主要国家能源消费结构[1]

1.2波浪能发电装置的分类及工作原理

1.2.1波浪能的简介

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能,动能是指水质点由于运动而具有的能量,势能是指自由表面相对于静水面而具有的能量,波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比[5]。海洋波浪能是一种比较好的研究方向,相对于其他新能源研究方向而言,波浪能有以下几个优点:

1)能量密度高,分布广泛。有关年平均波浪能流密度的测量数据表明,全球大部分海域的波浪能流密度属于可利用范围。就中国来说,东海和南海北部海域的波浪能流密度在10kW/m以上,远远多于2kW/m的开发利用起点[6]

2)储量巨大。据相关研究表明,中国大部分海域单位面积的波浪能总储量在kW·h/m以上,资源储量远大于风能[7]

3)波浪能一种可再生能源,利用过程中不会对环境造成太大影响。

4)相关研究表明,在时间一定的情况下,如果条件适当,波浪能发电装置的时间利用率可达到90%,这是风能和太阳能的3~5倍左右[8]

因此,相对于其他新能源研究方向而言,波浪能的研究是具有更大的现实意义。同时,随着各国新一轮科技竞争的开始,在波浪能这块极具科研价值的处女地上,谁能率先占领谁便能在科技竞争中抢得领先地位,为本国社会经济的高速发展奠定坚实的基础。

1.2.2波浪能发电装置的分类

波浪发电的装置的类型和样式多种多样,因此其分类方法有多种形式,如下表表1.1所示[9]

表1.1 波浪能发电装置的分类

分类方式

种类

设备的安装位置

沿岸式、近岸式、离岸式

能量捕获方式

振荡水柱式、漂浮类、越浪类、软囊类

能量中间转换环节

液压式、气压式、齿轮箱式、直驱式

固定方式

固定式、漂浮式

虽然波浪能发电装置的分类标准多种多样,其发电装置的种类和类型也数目繁多,但是在上世纪七八十年代,许多科研机构对大量的波能发电装置进行了模型试验以及相关的实地海上试验,这使得波浪能发电技术在民用领域的发展越来越快,目前最具有应用前景的波浪能发电装置是以下这四种:振荡水柱式波浪能发电装置、摆式波浪能发电装置、振荡浮子式波浪能发电装置和收缩波道式波浪能发电装置(又叫作聚波水库式波浪能发电装置)[10]。下面便对这四种热门发电技术进行详细地介绍:

  1. 振荡水柱式波浪能发电装置

振荡水柱式波浪能发电装置的英文全称为Oscillation Water Column,简写为OWC。振荡水柱式波浪能发电装置的工作原理如下:首先,气室通过下端开口允许波浪进入,随着波浪上升下降从而挤压气室内的空气,气室内的空气受到挤压而使气室内的压强增大。接着,气室在上端再开一个口,使得气室内的气体在压强的作用下通过气室上端开口流出。然后在气室上端开口处安装一个空气透平,气体的流动带动空气透平旋转。最后使用发电机将空气透平旋转的机械能转化为电能。振荡水柱式波浪能发电装置的结构示意图如图1.2所示。

振荡水柱式波浪能转换装置的优点是构造简单,除了气室,其他装置基本上不与海水直接接触,不易受腐蚀,维护方便;缺点就是空气透平机械能转换成电能的效率较低。

图1.2 振荡水柱式波能发电装置示意图

图1.3 摆式波能发电装置示意图

2) 摆式波浪能发电装置

摆式波浪能发电装置可以分为两大类,一类是如挂钟形式的悬挂摆式,一类是如图1.3所示的浮力摆式。浮力摆式波浪能发电装置的英文全称为Surging Wave Energy Converter。浮力摆式波浪能发电装置的工作原理如下:首先,波浪从远方传来推动摆板摆动;然后通过与摆板相连接的液压装置利用摆板的运动压缩液压装置内的液体从而将摆板的机械能转换为液压能或者液体的机械能;最后,液压装置与发电装置相连接,从而带动发电装置进行发电。

摆式波浪能发电装置的优点十分突出,相对于其它波浪能发电装置来说,摆式波浪能发电装置结构简单,制造生产容易。当然,摆式波浪能发电装置的缺点也很明显,由于该装置主要放置在海底进行作业,其结构易受海水腐蚀,并且维护困难。

3) 聚波水库式波浪能发电装置

聚波水库式波浪能发电装置又叫做收缩波道式波浪能发电装置,这是根据该装置的特点所取的名字。聚波水库式波浪能发电装置的外形示意图如图1.4所示。从图1.4中可以知道,该装置的工作原理可以分为两部分,一部分引水进库,储蓄水量;一部分放水发电。首先,在岸边建立一个水库,使水库向水一侧开一个喇叭口,波浪从喇叭口的“大口”进去,随着波道的收缩,波道内的水位也随之上涨,直至超过波道两侧的高度从而进入水库。这是第一部分引水蓄水。接着,水在重力作用下,从与水库相连的水轮机厂房流出,流动着的水流带动水轮机的叶片旋转进行发电。这是第二部分放水发电。

聚波水库式波浪能发电装置的优点是除了水轮机厂房外没有其他活动部件,便于维护,管理费用低,并且当波浪较大时发电功率比较稳定;其缺点是装置的建造对于选址的要求比较高,不太可能大范围的推广使用。

图1.4 收缩波道式波能装置

图1.5 振荡浮子式波能装置

4) 振荡浮子式波浪能发电装置

振荡浮子式波浪能发电装置的英文全称为Oscillating Float Type Wave Energy Generator。其装置结构图如图1.5所示。从图1.5中可以看出,振荡浮子式波浪能发电装置一般由三部分组成。第一部分叫做受波体,主要是用来捕捉波浪中的能量,并将其转换为机械能;第二部分叫做中间转换装置,其主要作用是将受波体吸收的能量传递给发电装置;第三部分叫做发电装置,其主要的作用是将传递过来的机械能或者液压能通过透平机或者水轮机等发电装置转换为电能,实现波浪能发电的目的。

振荡浮子式波浪能发电装置的优点是构造简单,水下施工工作量比较少,而且转换效率比较高,建造容易,成本低廉。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.1.1单浮体波浪能发电装置的国外研究现状

1980年,日本在东京湾对其研发的单浮体波浪能发电装置G-1T进行了海试[11]

1980年,挪威研发了浮标式振荡浮子装置,该装置主要是通过浮子在波浪的作用下沿着立柱做上下运动从而带动浮体上的气轮机进行发电。1983年,该振荡浮子装置在特隆赫姆峡湾进行了海试[12]。浮标式振荡浮子装置如图1.6所示。

a.浮标式振荡浮子装置结构示意图

b.浮标式振荡浮子装置实物图

图1.6 挪威浮标式振荡浮子装置

之后,瑞典乌普萨拉大学研发了L9波浪能发电装置,该装置的特点是浮体(内含发电机)固定在海底,浮子随波漂流并通过缆索带动固定在浮体内的发电机进行发电[13]。 图1.7为L9的结构示意图和实物图。

a. L9结构示意图

b. L9装置实物图

图1.7 L9波浪能发电装置

由荷兰Teamwork Technology BV公司研发的阿基米德波浪能发电装置(Archimedes Wave Swing)是首个以直线发电机为能量转换系统的波浪能发电装置,该装置于2004年成功地进行了海上试验[14]。图1.8为阿基米德波浪能发电装置的原理图和实物图。

(a)AWS概念设计图

(b)AWS实物图

图1.8 AWS波浪能发电装置

另一个使用直线发电机比较有名的装置是美国的Oregon State University研发的L-10装置。该装置通过浮子与浮体发生相对运动进行发电,该装置于2008年在美国俄勒冈纽波特完成了海上试验[15]。图1.9是L-10发电装置的示意图。

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