水平轴海流能发电机械关键技术研究

发布时间：2020-11-05 03:37

　　 经济和社会不断发展使人类对能源的需求持续增加,同时人类又面临着严重的环境保护问题,如何实现经济和社会的可持续发展是世界各国所面临的共同问题。海流能是一种新型绿色可再生能源,其蕴藏量巨大,但恶劣的海洋环境是海流能开发的不利条件,它给透平装置、机械结构的设计及机组的功率稳定输出带来很大的困难。研究论证水平轴式海流能发电装置的可行性、提高其恶劣环境下的生存能力及可靠性、提高机组的功率稳定性并实现最大能量捕获等都是海流能开发领域中的重要课题。 作为一种系统集成创新的利用海流动能来发电的装置,水平轴式海流能发电装置的研制存在若干关键技术,本文通过理论分析、数学仿真及厂房试验、现场试验等手段对其进行了研究。首先通过动量理论对叶轮的最大能量捕获规律进行分析,并运用流体动力学理论及数值模拟方法对叶片翼形进行水动力学特性的研究及设计。在传动系统方面,重点研究了三分流三合流的半直驱式传动方案及液压式能量传动方案,通过对半直驱传动方案的厂房试验结果、现场试验结果及液压传动方案的仿真试验结果的分析,明确两种传动方案的优缺点。功率输出的稳定性及能量捕获的最大化也是海流能发电装置的一个关键技术,论文在对电气控制方案实现最大能量捕获控制方式进行简单介绍后,对采用液压容积调速方法的液压式能量传动系统在功率稳定及最大能量捕获方面的应用进行了重点研究,结果表明带蓄能器及液压式容积调速方案的液压能量传动系统在能量最大捕获及功率输出稳定性方面性能良好。对变桨距原理及其控制算法在功率稳定控制方面的作用进行了半物理仿真试验,结果表明当水流流速大于额定流速时,变桨距机构可以使叶轮功率稳定在额定功率附近。 另外,课题对海流能发电装置的耐腐蚀、密封系统、刹车装置、电气负载、主控制系统及现场安装方式等都进行了研究。 论文各章内容分述如下: 第一章论述了海流能发电装置研究的背景、目的和意义;介绍了国内外在海/潮流能发电技术方面的进展及现状,最后总结了当前海流能发电装置研究方面亟待解决的部分科学技术问题。 第二章运用动量理论、相关水动力学理论及角动量理论对水平轴式海流能发电装置的叶轮最大能量捕获规律进行分析,运用叶素理论对叶片翼形进行受力分析,随后介绍气蚀理论及水平轴式海流能发电装置的组成结构、工作机理。 第三章分述了水平轴式海流能发电装置的关键技术问题。通过理论分析及数值模拟方法对叶片水动力学特性及其结构进行研究;对变桨距机械结构进行理论计算及设计;进行半直驱传动方案设计并引申出液压传动方案;对机组电气负载控制系统及相关附件进行介绍。 第四章研究了液压传动系统在水平轴式海流能发电装置中的应用,包括液压传动系统的设计、元器件选型;并在AMESim软件及Matlab/Simulink下对系统整体进行建模及仿真,将其结果与半直驱传动方案的仿真结果进行对比,得出相关结论。 第五章介绍了水平轴海流能发电装置的变速运行理论及变桨距控制理论。从电力电子控制及液压控制两种方式上对变速运行控制策略进行介绍,并重点对采用液压容积调速方式实现叶轮能量最大捕获进行研究;最后对变桨距控制原理及算法实现功率稳定进行了半物理仿真试验。 第六章对5kw原理样机的现场试验进行介绍,分析试验结果;对25kw级半直驱传动方案机组的厂房试验及现场试验进行介绍,根据试验结果对机组的效率及叶轮特性等进行分析总结。 第七章概括了论文的主要研究工作和研究成果,并对本课题今后的研究工作和研究方向讲行展望。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：P743.1
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 课题研究背景、目的及意义
        1.1.1 课题研究的背景
        1.1.2 课题研究的目的及意义
    1.2 国内外海/潮流能发电技术进展
        1.2.1 传统的海/潮流能利用技术
        1.2.2 新型海/潮流发电技术发展
    1.3 水平轴式海流能发电技术待解决的科学技术问题
    1.4 本课题主要研究内容
2 水平轴海流能发电装置工作机理
    2.1 水平轴海流能发电装置的叶轮能量捕获理论
        2.1.1 叶轮捕能模型
        2.1.2 叶素理论及角动量理论
        2.1.3 叶片的气蚀理论
    2.2 水平轴海流能发电装置结构及原理
        2.2.1 机组结构组成及特点
        2.2.2 机组工作原理
3 水平轴式海流能发电装置关键技术研究
    3.1 叶轮机构设计
        3.1.1 叶片翼形水动力学特性的数值模拟
        3.1.2 叶片几何外形设计
        3.1.3 叶轮驱动力矩及轴向力计算
    3.2 变桨距机构计算及设计
        3.2.1 变桨距机构的理论计算
        3.2.2 变桨距机构设计
        3.2.3 变桨距机构特性仿真研究
    3.3 传动系统设计
        3.3.1 半直驱式传动机构设计
        3.3.2 液压式能量传动方案简介
        3.3.3 密封机构研究
    3.4 电气系统设计
        3.4.1 发电机选型
        3.4.2 负载控制器设计
        3.4.3 主控制系统设计
    3.5 主要附件的理论设计
4 液压式能量传动系统设计及仿真研究
    4.1 液压传动方案机组的结构
    4.2 液压式能量传动系统组成及选型计算
        4.2.1 泵及马达选型及参数计算
        4.2.2 蓄能器及其它附件的选型
    4.3 传动系统仿真研究
        4.3.1 仿真用的海/潮流简化模型
        4.3.2 叶轮及发电机仿真模型
        4.3.3 半直驱传动结构的海流能发电装置仿真研究
        4.3.4 液压传动结构的海流能发电装置仿真研究
    4.4 液压式轴向力平衡机构设计及仿真
5 海流能发电装置变速运行及功率稳定控制
    5.1 水平轴式海流能发电装置的变速运行理论
    5.2 变速运行的实现方式
        5.2.1 变速运行的控制策略
        5.2.2 电机调速实现叶轮最大能量捕获研究
        5.2.3 液压容积调速实现叶轮最大能量捕获研究
        5.2.4 关于控制器讨论
    5.3 水平轴海流能发电装置变桨距控制
        5.3.1 变桨距控制理论
        5.3.2 海流能发电装置变桨距控制及试验研究
6 海流能发电装置试验及结果分析
    6.1 水平轴式海流能发电装置原理性试验
        6.1.1 试验条件及设计
        6.1.2 试验结果分析
    6.2 25kW半直驱式海流能发电装置试验
        6.2.1 机组在厂房内的性能试验
        6.2.2 机组气密性试验
        6.2.3 机组现场试验
        6.2.4 机组效率分析
7 水平轴海流能发电装置研究结论与展望
    7.1 课题及论文总结
        7.1.1 论文主要研究内容
        7.1.2 论文创新点
    7.2 工作展望
参考文献
攻博期间发表（录用）的论文

【引证文献】

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本文编号：2871068