点吸收式波能装置的介绍与分析

点吸收式波能装置的介绍与分析主要内容点吸收式波能装置的介绍点吸收式波能装置组成原理、关键技术波浪力的计算方法最新进展一点吸收式波能装置的介绍应用背景随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面积70％的广阔海洋，集中了97％的水量，蕴藏着大量的能源。波浪能是品位最高的海洋能。80年代以来，波浪能的利用研究进入了实用化、商业化为目标的应用示范阶段，并且基本建立了波浪能装置的设计理论和建造方法。原理：点吸收式装置又称为振荡浮子式装置，通常是用一个放在港中的浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮子吸收的能量通过一个放在岸上的机械或液压装置转换出去，用来驱动电机发电。点吸收式波能装置介绍优点：效率较高，水下施工比较少，建造容易。缺点：抵抗极端天气的能力差。适用场合：由于占较小位置，适用于为一些灯塔、航标灯提供电源。二点吸收式波能装置组成原理、关键技术点吸收式波能装置组成原理一级能量转换机构浮体直接与波浪接触，俘获波浪能转换为其他形式的能量（一般为动能）。二级能量转换机构又称为中间转换系统，将第一级转换和最终转换连接起来。中间转换起了增速和稳速的作用。另外还起传递能量的作用，按照传动实体的不同可分为机械式、水动式、气动式。最终转换机构最终转换一般是作机械能—电能的转换，基本上是采用常规技术的有适当调节机构的发电机。点吸收式波能装置关键技术浮子吸收波浪能力在一个振荡浮子式波浪能发电装置中，评价浮子吸收波浪能力的强弱，最主要的指标就是俘获宽度比。所谓俘获宽度比，就是浮子平均输出功率与浮子宽度内波浪的输入功率之比。水动力学参数的确定作用在浮子结构上的波浪力及水动力学参数的计算是设计中的基本任务，也是最困难的任务。因为这将涉及复杂的波浪和结构的相互作用。三波浪力的计算方法浮体的运动概述浮体在海洋工程结构在波浪作用下，将会发生复杂的运动。计算时，将浮体视为刚体，它的运动模态共有六个，即三个沿主轴x、y、z的移动（纵荡、横荡、垂荡）和绕这三个轴的转动（横摇、纵摇、垂摇）。上述六个自由度是有区别的，其中三个，即横摇、纵摇、垂荡。由于流体静力的作用，具有复原力或力矩，也就是它们有稳定的静平衡位置。在外干扰作用下偏离其位置后，如果消除干扰能够自动回复到原平衡点，但是其它三个运动，则无此能力，在受到外干扰，物体偏离其初始位置后，不再回复原位。这也就是对于浮子式装置，一般需要应用系泊系统或者动力定位保持位置的原因。水动力系数概述辐射作用力当浮子在具有自由水面的流体中运动时，会在流体中产生波浪，波浪运动的形式为以浮体的中心向周围各个方向散射，并逐渐衰减为0，这一问题称为波浪辐射问题，其速度势称为辐射势。辐射作用力是由于浮体运动在流体中产生的辐射势对浮体本身产生的作用力。1）附加质量由于浮体的存在，必将使浮体周围的流体质点受到扰动引起速度的变化，改变原来流场内的压强分布。所以，浮体的扰动使浮体周围改变了原来运动状态的那部分附加流体的质量沿流体流动方向也将对浮体产生一个附加惯性力，这部分等效质量称为附加质量。2）辐射阻尼浮体在运动的过程中会受到阻尼力，该阻尼称为辐射阻尼。波浪激振力波浪激振力是由辐射势之外的速度势作用产生的，主要是入射势和散射势。波浪载荷分析波浪力算法的分类海洋工程和海岸工程领域面临一大类近海结构，例如：重力式平台、半潜平台和防浪堤等等。它们的类型不同，形态各异，大小不一，没有办法也没有必要用统一的方法计算作用其上的波浪力。对不同结构可采用不同类型的波浪力表述。作用在近海结构上的波浪力大致可用三种不同的方法进行计算：1）Morison方法相对尺度小的海工结构物2）绕射理论3）Froude-Krylov理论相对尺度大的海工结构物Morison方法来源：1952年由美国科学家Morison等人提出的一个经验公式，用于计算作用在小直径管柱上的波浪载荷。这是一个完全凭经验确定的公式。方法：实验测量和经验分析。适用范围：当阻力占主要位置的时候，也就是说当结构的特征尺度与波长相比较是一个小量的时候，通常都可以采用这种方法。常常用在小直径管柱结构的求解中。基本假设：1）柱体的存在对波浪运动无显著作用。2）波浪对柱体的作用主要是粘滞效应和附加质量效应。Morison方程的标准形式：莫里森方程认为作用在柱体任意高度的水平作用力包括两个分量：水平拖曳力和水平惯性力。作用在直立柱体任意高度z处单位柱高的水平波力为：012xDxxMduFCAuuCVdt拖曳力惯性力应用Morison方法的关键问题：1）波浪理论选择水流速度根据所选的波浪理论给出。2）合理选取与波浪理论相应的力系数、。力系数随雷诺数Re的改变而有剧烈变化，因而目前强调在工程使用上必须取测自原体的数据。xuDCMC绕射理论来源：由MacCamy和Fuchs等在1954年提出。适用范围：相对尺度大于0.2的海工结构物，例如重力式平台、大型石油贮罐等。基本假设：假定流体是不可压缩的理想流体，运动是有势的，将结构物边界作为波动着的流体边界的一部分，先找出在结构物边界上结构物对入射波的散射速度势和未受结构物扰动的入射波的速度势，两者迭加后即为结构物边界上扰动后的速度势，应用线性化的Bernoulli方程确定结构物边界上的波压强分布，从而便可以计算出波浪作用在结构物上的力和力矩。局限：计算复杂，至今只对大直径直立圆柱和潜没直立圆柱等少数几种情况，取得了精确的解析解答。线性绕射理论如果入射波为波高很小的线性波，并且认为波浪与结构物的相互作用是线性的，此时的绕射问题为线性绕射问题。当波浪向前传播遇到结构物后，在结构物的表面将产生一个向外散射的波，入射波与散射波的叠加达到稳态时，将形成一个新的波动场。这样受结构物扰动后的波动场内任一点的总速度势由两部分组成：1）未扰动的入射波的速度势；2）结构物对入射波的散射速度势，即散射波的速度势，则有对于线性理论，当波浪运动是简谐运动时，可将时间变量分离出来，可写为以下形式：总速度势满足以下条件：Laplace方程边界条件：1）2）3）在结构物表面处(,,,)xyzt(,,,)Sxyzt(,,,)Ixyzt(,,,)(,,,)(,,,)ISxyztxyztxyzt(,,,)(,,)[(,,)(,,)]ititISxyztxyzexyzxyze2020zg0z0nzd0z对于特定的波浪理论，入射势是已知的。若得到散射波速度势后，将其与已知的入射波速度势线性迭加，就可得到扰动后波动场内任一点总速度势再应用线性化的Bernoulli方程便可得到结构物表面S上的波压强p分布。进而可得到作用在结构物上的总波力F为：n为结构物表面S上某点的单位外法向矢量。ReReititISpieiet()itISeReitISSFiendsFroude-Krylov理论适用范围：常用在计算大尺度潜体上的波浪力。基本假设：1）结构周围的波浪场不会因为物体的存在而受到改变。2）作用在结构上的波浪力可以直接根据入射波产生的压强沿着湿表面（浸在水中的表面）积分得到。优点：虽然是一种近似的方法，但是简单，又基于模型试验，可以得到一定精度的计算结果。Froude-Krylov假定法：所谓Froude-Krylov假定法，就是假定入射波动场原来的波压强分布不因潜体的存在而改变。先计算出未受扰动的入射波压强对潜体上的作用力，再乘以反映附加质量效应和绕射效应的绕射系数C进行修正。作用在整个潜体上的水平波力和垂直波力可分别表示为：、分别表示潜体表面任一点上未扰动入射波的波压强在水平方向和垂直方向上的分量；为潜体基元表面积；为潜体总表面积；和分别为水平绕射系数和垂直绕射系数。HHxSFCpdSVVzSFCpdSxpzpdSHCVCS绕射系数和的选定：绕射系数是与结构物的特征尺度有关的参数。理论上Froude-Krylov力的系数值都应该需要通过计算来得到，不过如果可以通过实验的方法来测得系数值则更为准确和方便。HCVC四点吸收式波能装置的一些新进展海鸟式双臂浪能装置：利用浮体与类似于鸟翅的迎浪板和背浪板之间的相对转动，带动装置内部的发电装置发电。陀螺仪浪能装置：浮子内部装有位置水平的陀螺仪装置，在波浪力的作用下，浮子偏转，根据陀螺效应，陀螺仪保持水平，进而带动装置发电。