半潜式平台运动及系泊系统特性研究

针对深海半潜式平台及其系泊系统的水动力特性,运用时域耦合的分析方法,对一座水深为1 000 m的半潜式平台,及其悬链线式系泊系统的水动力性能进行探索,获得频域和时域响应结果。同时阐述了平台系泊系统的设计流程,并通过系泊系统参数的变化,研究其特性寻找影响系泊系统作用的一般规律,为平台及其系泊系统设计提供参考。     

波浪能发电平台系泊系统耦合动力响应及水动力分析

本文以一种新型波浪能发电平台为研究对象,分别采用基于三维势流理论的软件Sesam和基于有限体积法的Flow3D软件,对平台和发电浮子进行水动力分析。应用Sesam-HydroD模块计算了平台和发电浮子在频域内的运动响应,将平台和发电浮子的垂荡运动响应进行对比分析,结果表明,在正常海况下,平台与发电浮子垂荡运动相对幅值满足捕能系统的发电需求。应用Flow3D软件对平台整体进行水动力分析,结果表明,平台与发电浮子相对运动振幅在0.3～0.4m间,可满足发电需求。在此基础之上,应用Orcaflex软件,通过时域耦合动力分析的方法,计算了平台在自存工况和作业工况下的运动响应和系泊缆动张力响应,结果表明:在自存工况下,平台锚泊线的安全系数符合规范要求,平台具有良好的安全性能,能够适应恶劣的海洋环境;在作业工况下,平台的垂荡运动响应对波浪方向变化并不敏感,捕能系统不受波浪方向变化的影响,满足发电需求。另外,本文的研究结果能为类似的海洋平台的研究提供建议和参考。     

鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率研究

为了更加切合实际地研究鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率,考虑了鸭式装置可绕定轴转动以及装置的附加质量和附加阻尼,以ANSYS14.0软件为平台建立二维数值波浪水槽,对装置在不同波浪条件作用下的受力情况与运动情况进行了数值模拟与分析。结果表明:(1)在相同波高条件下,随着波浪周期的增大,装置受到的水动力力矩增大,转换效率下降,转换效率最高可达到70%;(2)在相同周期条件下,随着波高的增大,鸭式装置受到的水动力力矩也随之增加,波浪在经过装置后波高会发生衰减;(3)装置转换效率总体可维持在70%左右,但由于波峰到达装置时会有部分波浪从其顶部越过,随着波浪波高增大转换效率缓慢下降。为该装置的实际应用提供理论支持。     

漂浮摆—斜坡组合式波浪能发电装置研究

目前全球对能源的需求急速增长,其中对可再生能源的需求也越来越大。中国将成为全球能源消费第一大国,研发高效的可再生能源装备已刻不容缓。我国有大量可开发的海洋波浪能,其中舟山附近海域的波浪能相当丰富。文中研发了适合舟山海域波浪条件的波浪能发电装置。具体研究内容包括以下几个方面:(1)从流体力学理论出发,采用斜坡将水平速度转化为垂向速度,设计了近岸固定式可适应潮位变化的波浪能发电装置。(2)进行了多种结构漂浮摆-斜坡组合的模型试验,找到了最佳结构方案,验证了漂浮摆原理的可行性。利用提升重物的方法获得了模型装置的一级波浪能捕获效率,成功通过液压装置将波浪能转化为电能。(3)建立了基于非稳态RANS的CFD仿真模型,分析漂浮摆式波浪能捕获模块的水动力性能。研究在不同载荷情况下漂浮摆装置的能量输出情况,得到了装置在特定工况下的漂浮摆受力情况,为能量转化系统设计和装置设计制造提供参考。     

随机波浪中张力腿平台耦合运动及系泊系统特性研究

张力腿平台(TLP)是一种垂直系泊的半顺应半刚度式平台,预报平台的运动响应及锚泊系统的张力是张力腿平台结构设计的重要基础。应用挪威船级社SESAM软件在频域和时域内研究了张力腿平台在随机波浪中的非线性运动响应及系泊系统特性,并在试验室中通过缩尺比为1∶40的模型进行了试验验证。在试验验证的基础上,将仅考虑浪与考虑浪、流联合作用下的张力腿的张力平均值、幅值及标准差作了对比。结果表明,在较低海况时,考虑浪和流时的张力腿与不考虑流的情况变化不大;在较大海况时,流的影响不可忽略,考虑流的张力腿变化幅度要略大于不考虑流的情况。     

鹰式一号波浪能装置频域运动分析与优化设计

波浪能发电装置的波能转换通常分为两级能量转换:第一级能量转换是波浪作用下波浪能装置部件发生相对运动驱动PTO做功捕获波浪能;第二级能量转换为将捕获的波浪能转换为电能。其中一级波浪能转换系统的优化设计是提高波浪能装置能量转换效率的重要手段和关键技术。波浪作用下波浪能装置的运动与PTO做功运动相互耦合和影响,本文通过对不同波浪要素环境下、不同PTO阻尼下波浪能装置的频域运动模拟,以迎波宽度比为尺度对波浪能装置的一级能量转换系统进行优化设计,获得波浪能装置的最优做功阻尼,为实型装置负载加载设计提供设计依据,提高波浪能装置能量转化效率。鹰式一号波浪能装置的实海况运动证明,通过对一级能量转换系统的优化设计,能够有效提高装置的发电效率和提高装置对波浪响应频带宽度。     

一种新型六自由度波浪能装置的水动力学分析

浮子的能量收集效率对于装置发电效率的提升具有重要作用。针对传统浮子式装置仅具有一个自由度的问题,提出了一种新型六自由度波浪能装置。基于线性波理论和MMG(Ship Manoeuvring Mathematical Model Group)方法,建立了新型装置的水动力学模型。分析了此装置的浮子在线性波浪作用下的位移和速度。结果表明:新型六自由度装置可以同时收集浮子六自由度方向的动能,具有较高的波浪能收集效率。另外,浮子在垂荡方向上的动能远大于横荡、纵荡方向上的动能。分析了波浪能收集效率随波浪遭遇角与弹簧系数之间的变化规律,文中工作为新型波浪能装置的优化设计提供了有益参考。     

浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化

波浪能作为一种蕴藏丰富、可再生的清洁能源,在世界上受到了广泛关注。文中提出了一种浮力摆式波浪能发电装置,简要介绍了该装置的工作原理以及基本组成,并对其关键技术进行了研究;建立了装置动力响应特性模型,结合站址海域波浪环境条件对装置进行了水动力特性分析,获取装置对波浪的响应状况,确定了关键设计参数;利用该参数对装置进行了结构设计,并对其关键受力部位进行强度计算与优化。结果表明,装置在规则波条件下具有较高的能量转换效率,同时满足其在极限波况下的强度要求。     

主动共振浮力摆式波浪能发电装置水动力性能研究

为实现海洋浮标持续稳定发电这一目标,本文提出了一种布放于浮标下的主动共振浮力摆式波浪能发电装置。该装置与海洋浮标相结合,调整其配重位置可实现多海况共振高效发电,为海洋浮标提供充足可靠的电力;发电装置主体除摆体外其他运动部件不与海水接触,可避免海水冲击和腐蚀,同时还可有效阻止水生物的附着;摆体工作时淹没在海水中,其吸收波...     

底铰摇板式波浪能装置水动力性能解析研究

对底铰摇板式波浪能装置的水动力性能进行了解析研究,基于受约束浮体线性化运动方程,获得小幅线性波作用下装置动力响应和转换性能的解析解;采用解析解计算分析了水深、厚度、密度和PTO阻尼值四个参数选取对装置转换性能的影响.研究结果表明,底铰摇板式波浪能装置具有较宽的频率响应范围;在低频区,水深较大时装置俘获效率较高,而在高频区,水深较小时装置俘获效率较高;系统性能受摇板厚度的影响非常小;密度较小的摇板在高频区性能较好,而密度较大的摇板在低频区性能较好;设置恒定PTO阻尼的情况下,装置性能受FTO阻尼值影响显著,当FTO阻尼取低频辐射阻尼时,装置的俘获效率与满足阻尼匹配条件的情况基本相同;当采用的PTO阻尼与低频辐射阻尼值差别较大时,系统的俘获效率显著降低.     

有效吸收和传递波浪能的锚泊系统的设计制作

将传统定位浮标加以改进,可以形成一种能有效吸收和传递波浪能的锚泊系统。此系统的最上端是漂浮着的海面浮标,海面浮标下端连着锚泊钢缆,锚泊钢缆下端到海底之间又依次连有张紧锤、储链和重物锚块。锚泊系统中的海面浮标随波浪同步上下起伏,从而带动与其连在一起的由张紧锤绷直的锚泊钢缆上下振动,于是海面浮标吸收波浪能并由引导缆向下传递。20 m长的储链可以保证整个装置在涨潮、退潮的极限水深情况下,仍旧可以有效地传递海表面波浪能;合适的重物锚块可以起到为整个系统定位的功能。最后给出了一个实际应用波浪能的例子。设计制作的锚泊系统可以有效吸收和传递波浪能,为波浪能的利用提供了一种行之有效的方法。     

不规则波激励下磁力双稳态波浪能转换装置的能量捕获特性研究

该研究提出了一种新型磁力双稳态机构,主要由一对同向充磁的负刚度磁环,附加一对异向充磁的正刚度磁环组成,可通过调整磁环参数有效改变双稳态装置的势垒高度,从而克服传统型双稳态装置在小幅波浪激励下转换效率低的难题。基于Cummins方程建立了系统的时域非线性动力学模型,其中采用状态空间模型替代了辐射力的卷积积分项用于加快计算速度。采用四阶龙格库塔方法求解动力学方程,获得系统响应解。采用Jonswap波浪谱,研究了不规则波激励下波浪能转换装置的转换效率随双稳态结构参数以及波浪激励参数的变化规律。结果表明,新型磁力双稳态机构在合适参数下可以达到降低势垒高度和拓宽平衡点间距的效果,从而显著提高波能捕获效率,拓宽波能捕获频带,尤其是大幅提高了系统在小波高激励下的捕获宽度。     

双矩形浮子波能装置辐射问题的解析方法

在有限水深下1个漂浮在水中的矩形浮子和1个淹没在水下的浮子构成双矩形波能装置模型。基于特征函数展开法求解了线性入射波作用下双矩形浮子波能装置的辐射问题,得出了双矩形浮子辐射速度势的1种新解析式,然后根据Haskind关系由入射势和辐射势来计算波浪激励力,并且采用数值方法对相同算例进行了计算,得到了完全一致的结果,从而证明这种方法是正确的。研究了在不同工况下的波浪激励力和系统的水动力学系数变化的规律。     

Analytical method of radiation by a wave energy device with dual rectangular floating bodies

The system with one floating rectangular body on the free surface and one submerged rectangular body has been applied to a wave energy conversion device in water of finite depth. The radiation problem by this device on a plane incident wave is solved by the use of an eigenfunction expansion method, and a new analytical expression for the radiation velocity potential is obtained. The wave excitation force is calculated via the known incident wave potential and the radiation potential with a theorem of Haskind employed. To verify the correctness of this method, an example is computed respectively through the bound element method and analytical method. Results show that two numerical methods. are in good agreement, which shows that the present method is applicable. In addition, the trends of hydrodynamic coefficients and wave force are analyzed under different conditions by use of the present analytical method.     

某岛筏式液压波浪发电装置系留系统动力学分析

为研究某波浪发电装置系留设备的系泊性能,参考某岛筏式液压波浪发电项目规划和该系留系统的布局设计,利用OrcaFlex建立了系留系统简化模型。通过调节不同海况下的浪流参数,实现了对该系留系统的动力学分析,对比了不同工况下锚泊系统有效张力的变化,结合改变辅缆上端链与浮筏主体的连接位置,给出了该系留系统的优化设计方案。结果表明,不同系泊缆索上的系泊张力分布情况及风载荷对系留系统的影响很微弱。     

中国海域波浪能资源分布及波浪能发电装置适用性研究

首先全面综述了国内外波浪能资源开发利用现状,系统总结了目前国内外海洋波浪能资源发电技术中应用的主要波浪能资源开发装置及存在问题;基于ERA-Interim再分析数据,给出了中国海域的平均波浪能流密度和季节特征,从而获取高波能资源分布区域,得到了中国海域波浪能资源分布富集区域;结合不同海岸岸线及海底类型,综合给出了中国波能资源富集区域中发电装置适用建议、高峰发电季节。对提高我国波浪能资源开发利用、推动海洋可再生能源行业的发展具有重要意义,也为实用化、商业化海洋波浪能资源选址提供了科学依据。     

一种海洋柔性胶囊波能发电装置研究

海洋波浪能可再生能源的开发是未来发展的趋势,开发设计更为高效的波能转换利用装置是开发利用波浪能的关键。根据脉搏脉动机理,设计发明了一种柔性胶囊发电装置,利用柔性结构的强收缩性,让其随着波峰波谷收缩扩张,进而形成脉动来传输水体,使相连尾端竖管内水位随着脉动骤升骤降来压缩排出和快速吸入空气。进行了一系列探索性实验,着重研究柔性材料厚度、波高、周期、气室孔径对该试验装置的波能转换率的影响,数据表明,柔性硅胶管有很好的聚波作用,气室的设计和建造对波能转换效率有较大的影响。     

摆式波浪发电装置一级转化效率模型试验研究

一级转换装置是一个波浪能发电装置中的关键技术,而如何提高能量转化效率,是一级转换过程研究的重点问题。为确定一级转换装置的能量转化效率与哪些因素有关,对摆式波浪能发电装置的摆板机构进行了模型试验研究,测试了摆板模型在多种波浪条件下的动力响应参数,确定了摆板的动力输出特性及其控制因素;测试了在极限波浪作用下,摆板模型装置的受力状况。通过试验,为摆式波浪能发电装置的设计提供了必要的参考依据。