竖轴双转子漂浮式潮流能发电装置水动力性能耦合预报研究

发布时间：2020-03-28 22:04

【摘要】：世界范围内能源日趋紧张,环境污染不断加剧,开发利用可再生能源成为缓解能源紧张,降低环境污染的有效途径。潮流能作为一种清洁无污染的绿色可再生能源,近年来已成为国内外研究的热点。目前关于漂浮式潮流能发电装置的研究大多分别针对竖轴水轮机、浮式载体及系泊系统方面,然而实际海况中水轮机和漂浮式发电装置载体之间存在耦合作用,现阶段对在风浪流环境下潮流能发电装置整体耦合预报和耦合作用机理的研究较少。本文以2×150kW漂浮式潮流能发电装置为研究对象,采用两种方法研究了漂浮式潮流能发电装置水动力性能,并分析在复杂海洋环境载荷下发电装置系统的时域耦合运动响应,具体方法为三维势流理论和计算流体力学CFD。本文可为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的设计、开发和工程应用提供理论指导和技术支持。本文首先采用三维势流理论研究漂浮式潮流能发电装置的水动力性能。建立竖轴水轮机和浮式载体的水动力学模型,利用CFD方法求解水轮机强迫振荡时的水动力载荷,并拟合求解水轮机的水动力系数;采用三维频域势流理论对漂浮式发电装置载体进行频域分析,得到漂浮式发电装置载体在规则波中的运动响应RAO和水动力系数;然后对AQWA软件进行二次开发,将水轮机的附加质量、辐射阻尼以及实时变化的平均力加载到系统时域计算数值模型上,对在规则波和随机波浪作用下漂浮式发电装置的耦合运动响应进行时域分析,得出了水轮机载荷和不同海况对系统水动力特性的影响规律。采用CFD方法对漂浮式潮流能发电装置载体进行动力响应分析。基于CFD方法建立三维波浪数值水池,考虑粘性和波浪非线性等因素,对漂浮式发电装置在规则波作用下的流场、受力以及运动响应进行分析,并与基于势流理论的计算结果对比,计算结果吻合较好,验证了数值水池在模拟载体运动时的准确性,具有较强的工程实用价值,为后续的漂浮式潮流能发电装置性能预报提供了一种方法。
【图文】：

ＳｅａＧｅｎ潮流水轮机是英国Ｍａｒｉｎｅ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋Ｔｕｂｉｎｅｓ公司设计开发出“Ｓｅａｆｌｏｗ”后的逡逑又一成果，是配有双直径为１６ｍ转子的水平轴水轮机，发电功率达到１．２ＭＷｍｉ，是世逡逑界上第一台达到兆瓦级的潮流能发电装置，如图１．２所示。该水轮机的转子直接连接到逡逑载体内部的齿轮箱上，这样可以增加其转速使发电机发电。ＳｅａＧｅｎ所配备的可控螺距逡逑的转子叶片可以保证其在涨潮和落潮时都能够有较好的性能，但是采用桩柱式基础成本逡逑较高，同时对海底地质条件有较高要求。ＳｅａＧｅｎ的１．２ＭＷ机组己在２００９年１月正式逡逑投入运行。逡逑４逡逑图］．１邋ＳｅａＦｌｏｗ潮流能发电装置逦图１．２邋ＳｅａＧｅｎ潮流能发电装置逡逑英国的Ｏｃｅａｎｆｌｏｗ能源有限公司开发ＥｖｏｐｏｃＦｌ潮流发电机组如图１．３所示，此设备逡逑可以利用潮流、洋流等进行发电。该设备抗腐蚀性极好，可以直接于深水中进行运转。逡逑系泊系统也值得借鉴，能够保证系统应对相对较为恶劣的风浪环境。整个发电机组可以逡逑提供５５ｋＷ电能。Ｏｃｅａｎｆｌｏｗ公司还在不断改进此方案，，Ｅｖｏｐｏｄ的双祸轮方案将配备双逡逑１．２ＭＷ发电机以获得更多电能。逡逑２逡逑

第１章绪论逡逑图１．３邋Ｅｖｏｐｏｄ潮流发电机组逦图１．４邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｐｏｗｅｒ水轮机逡逑Ｃｕｒｒｅｎｔ邋Ｐｏｗｅｒ邋水轮机是由瑞典邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋Ｐｏｗｅｒ邋ＡＢ邋公司、Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ邋和逡逑Ｕｐｐｓａｌａ大学联合设计开发的［１３］，如图１．４所示。该水轮机为低速三叶片垂直轴水轮机，逡逑直径１０ｍ，整个转子固定于海底基座上，并成功地进行了海上测试。逡逑２００５年意大利的Ｐｏｎｔｅ邋ｄｉ邋Ａｒｃｈｉｍｅｄｅ邋Ｓ．ｐ．Ａ邋（ＰＤＡ）公司设计开发了一款Ｋｏｂｏｌｄ型逡逑漂浮式潮流能发电装置［１４］，如图１．５所示，该发电装置水轮机采用的是变偏角直叶片垂逡逑直轴式，装机容量１２０ｋＷ，叶轮直径６ｍ，叶片展长５ｍ，电站发电接入当地电网。这是逡逑世界首台接入电网投入商业运行的垂直轴漂浮式潮流能发电装置，该装置对今后的潮流逡逑能发电技术的研发起到了关键作用。逦逦逡逑图１．５邋Ｋｏｂｏｌｄ水轮机逡逑１．２．２国内潮流能发电装置发展现状逡逑我国对潮流能的开发利用也相对较早｜１５］。１９７８年舟山渔民何世钧在西堠门海域通逡逑过在渔船尾部安装水轮机，进行潮流能发电实验，最初水轮机选用水平轴式，经过多次逡逑试验使水轮机功率达５．７ｋＷ。逡逑２０世纪末，国内潮流能发电装置的研究开始蓬勃发展。哈尔滨工程大学是最早着手逡逑于研究潮流能发电的高校［１６１
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P743.1;TM612

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本文编号：2604974