世界范圍內(nèi),化石能源日趨緊張,環(huán)境污染不斷加劇,潮流能作為一種清潔無污染的綠色可再生能源,具有儲(chǔ)量大、分布廣、可預(yù)測性強(qiáng)、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn),開發(fā)利用潮流能成為緩解能源緊張、降低環(huán)境污染的有效途徑。潮流能開發(fā)利用的主要裝置為水輪機(jī),水輪機(jī)搭載在載體上,構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng),將潮流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。目前,潮流發(fā)電裝置的分類很多,各自具有獨(dú)特的應(yīng)用背景和優(yōu)勢。按載體分類,可以分為樁基礎(chǔ)式、座底式和漂浮式,按水輪機(jī)分類主要分為水平軸水輪機(jī)式和豎軸水輪機(jī)式。其中,基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置融合了豎軸水輪機(jī)和漂浮式載體的特點(diǎn),具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)制造技術(shù)難度小、成本低、維護(hù)檢修和管理費(fèi)用低、適應(yīng)流向變化、對吃水要求低等優(yōu)點(diǎn),近年來成為研究的熱點(diǎn),并在我國和意大利等國有實(shí)驗(yàn)示范裝置運(yùn)行。但是,現(xiàn)階段對該類潮流發(fā)電裝置的研究多集中在對豎軸水輪機(jī)、浮式載體和系泊系統(tǒng)的研究,對豎軸水輪機(jī)、浮式載體和系泊系統(tǒng)耦合作用下,潮流發(fā)電裝置的性能預(yù)報(bào)研究較少,而這卻是制約該類潮流發(fā)電裝置設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)示范研究和工程應(yīng)用的關(guān)鍵。為此,本文對基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置開展其水動(dòng)力性能研究,建立該類潮流發(fā)電裝置水動(dòng)力性能的試驗(yàn)預(yù)報(bào)方法、平臺(tái)和數(shù)值預(yù)報(bào)方法,為該類裝置的研究和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。在基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)方面,本文首先根據(jù)發(fā)電裝置原型、船模拖曳水池情況確定模型試驗(yàn)的縮尺比,對雙體船模型和水輪機(jī)模型開展連接設(shè)計(jì)研究,對發(fā)電裝置模型重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量方法進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)開發(fā)模型重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量與調(diào)整裝置,測量和調(diào)整模型的重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。然后,開展系泊模擬研究,分別開展系泊點(diǎn)和錨鏈的模擬研究,通過系泊架實(shí)現(xiàn)系泊點(diǎn)的模擬,通過系纜實(shí)現(xiàn)錨鏈的模擬。接著,選配系泊試驗(yàn)研究的儀器和設(shè)備,開展測量與布置方案研究,并介紹系泊架的安裝和系纜預(yù)張力的調(diào)節(jié)方法,給出試驗(yàn)工況,最后形成基于船模拖曳水池的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)方法。在基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗(yàn)研究方面,本文首先研究基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置的自由衰減特性和系泊衰減特性,分別測量組合模型在自由狀態(tài)下的橫搖衰減情況和縱搖衰減情況,組合模型在系泊狀態(tài)下的橫搖衰減情況、縱搖衰減情況和艏搖衰減情況,并對各自的衰減情況進(jìn)行分析。然后,研究裝置模型在均勻流下的系纜拉力響應(yīng)特性、組合模型的姿態(tài)響應(yīng)特性,并介紹試驗(yàn)中的一些試驗(yàn)現(xiàn)象,對試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。接著,開展均勻流下水輪機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)時(shí)的比較試驗(yàn)研究,對兩種狀態(tài)下系纜拉力、組合模型的姿態(tài)響應(yīng)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膫?cè)向位移進(jìn)行比較分析,給出研究結(jié)論。接著又進(jìn)行規(guī)則波環(huán)境下系泊試驗(yàn)研究,研究波高和頻率對模型系纜拉力和運(yùn)動(dòng)的影響。最后,研究裝置在不規(guī)則波環(huán)境下的系纜拉力情況和姿態(tài)響應(yīng)情況,并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置總體性能研究的基本理論方面,文章首先給出豎軸水輪機(jī)流載荷的數(shù)值模擬方法,給出數(shù)值模擬的基本控制方程、RANS方程、湍流模型和近壁區(qū)處理方法、離散方法和自由變偏角的模擬方法。然后,給出了基于三維勢流理論的頻域分析理論,包括坐標(biāo)系的定義,線性速度、一階波浪力、平均波浪漂移力和二階波浪力傳遞函數(shù)矩陣的求解。最后,給出裝置水動(dòng)力性能分析的時(shí)域耦合分析理論,建立了時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程,給出流力和波浪力的確定方法,給出水輪機(jī)載荷的耦合處理方法。在基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流能發(fā)電裝置總體性能研究方面,文章首先根據(jù)第四章的基本理論方法,數(shù)值模擬水輪機(jī)的流載荷情況,并對水輪機(jī)受力進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,計(jì)算水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的等效附加質(zhì)量和阻尼。然后,對漂浮式潮流發(fā)電裝置的浮式載體進(jìn)行頻域輻射、繞射分析,最后,考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響,對發(fā)電裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了耦合計(jì)算研究,預(yù)報(bào)發(fā)電裝置的錨鏈張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況,并選擇典型工況與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證本文數(shù)值預(yù)報(bào)方法的有效性。在帶浮筒的漂浮式潮流發(fā)電裝置總體性能研究方面,首先設(shè)計(jì)了浮筒的結(jié)構(gòu)形式和錨鏈連接,然后,利用第四章的頻域分析基本理論和時(shí)域耦合分析基本理論,對帶浮筒的漂浮式潮流發(fā)電裝置進(jìn)行時(shí)域耦合計(jì)算研究,預(yù)報(bào)發(fā)電裝置錨鏈張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況,分析浮筒對裝置性能的影響。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類】：P743;TM612
【部分圖文】：

機(jī)械科學(xué)研究總院和中國海洋大學(xué)以柔性葉片研究和應(yīng)用為背景，共同研制了一款??基于豎軸柔性葉片水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置［６］，并于２００８年１２月在青島齋堂島海??域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，見圖１．４。該發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為多布置三角形柔性葉片豎??軸水輪機(jī)，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)。載體部分采用了雙浮體升降式??結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工和制造成本低等特點(diǎn)。??在“國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目”的支持下，哈爾濱工程大學(xué)于２０１２年完成了?“海能Ｉ”??號２Ｘ?１５０ｋＷ潮流實(shí)驗(yàn)電站的設(shè)計(jì)和建造，并２０１３年在浙江省舟山市岱山縣示范運(yùn)營。??該發(fā)電裝置總長２４ｍ，總寬１３．９ｍ，型深３ｍ，吃水１．２ｍ，為基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式??潮流發(fā)電裝置，采用雙體船式載體結(jié)構(gòu)，錨泊定位，雙轉(zhuǎn)子，豎軸直葉水輪機(jī)，可實(shí)現(xiàn)??電能的變化和控制，發(fā)出的電經(jīng)海底電纜輸向官山島。??基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置的開發(fā)較少

藍(lán)能（Ｂｌｕｅ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）公司１２８１開發(fā)了一款Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ水水輪機(jī)屬于Ｈ型四葉固定偏角水輪機(jī)，四個(gè)葉片均為直葉片，對稱布置，連接于，經(jīng)齒輪箱傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，如圖１．６所示。水輪機(jī)置于錨固在海底的水泥沉通過沉箱增強(qiáng)流速，提高能量轉(zhuǎn)換效率。１９８４年藍(lán)能公司開發(fā)了?１００ｋＷ的樣機(jī)，??葉輪外側(cè)加裝了導(dǎo)流罩，使之成為導(dǎo)流增強(qiáng)型水輪機(jī)。Ｎｅｗ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ發(fā)了?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ水輪機(jī)［２９］，如圖１．７所示。該水輪機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)與藍(lán)能公司的Ｄａｖｒｏ水輪機(jī)相似，其中５ｋＷ和２５ｋＷ的機(jī)型已經(jīng)在加拿大和美國有應(yīng)用，目前正在５０ｋＷ的機(jī)型。??

?圖丨．６?Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ水輪機(jī)?圖１．７?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ水輪機(jī)??Ｆｉｇ?１．６?Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ?ｔｕｒｂｉｎｅ?Ｆｉｇ?１．７?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ?ｔｕｒｂｉｎｅ??在加拿大，藍(lán)能（Ｂｌｕｅ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）公司１２８１開發(fā)了一款Ｄａｖｉｓ?Ｈｙｄｒｏ水輪機(jī)，??該水輪機(jī)屬于Ｈ型四葉固定偏角水輪機(jī)，四個(gè)葉片均為直葉片，對稱布置，連接于轉(zhuǎn)軸??上，經(jīng)齒輪箱傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，如圖１．６所示。水輪機(jī)置于錨固在海底的水泥沉箱??內(nèi)，通過沉箱增強(qiáng)流速，提高能量轉(zhuǎn)換效率。１９８４年藍(lán)能公司開發(fā)了?１００ｋＷ的樣機(jī)，??并在葉輪外側(cè)加裝了導(dǎo)流罩，使之成為導(dǎo)流增強(qiáng)型水輪機(jī)。Ｎｅｗ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ公??司開發(fā)了?ＥｎＣｕｒｒｅｎｔ水輪機(jī)［２９］，如圖１．７所示。該水輪機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)與藍(lán)能公司的Ｄａｖｉｓ??Ｈｙｄｒｏ水輪機(jī)相似，其中５ｋＷ和２５ｋＷ的機(jī)型已經(jīng)在加拿大和美國有應(yīng)用，目前正在開??發(fā)２５０ｋＷ的機(jī)型。??圖１．８Ｋｏｂｏｌｄ水輪機(jī)??Ｆｉｇｌ．８?Ｋｏｂｏｌｄ?ｔｕｒｂｉｎｅ??在意大利
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