锚泊浮台波浪能供电装置液压系统研制与功率特性研究

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锚泊浮台是能够同时实现海洋观测、监测、监视、通讯等功能的锚系漂浮式海上仪器设备搭载基础设施,可解决我国缺少高效、远程、可靠、安全海上通信手段的问题。受海上条件和供能技术限制,当前采用的风能、太阳能、蓄电池等方式不能为浮台提供稳定持续的电力,能源瓶颈限制着浮台的大范围推广和长期稳定运行。波浪能是一种清洁、可靠的可再生能源,在我国海域储量丰富,海能海用、因地制宜开发波浪能应用在海洋仪器上,是解决浮台用电难题的主要路径。本文研制的波浪能供电装置集成于浮台主体中,参照技术成熟的独立式振荡浮子波浪能发电装置,对本装置的俘能结构、功率特性、液压系统及控制过程进行了研究与适应性改进,通过理论分析、数值仿真、系统实验对技术方案进行了优化。首先,阐述课题背景和研究意义,对波浪能发电技术进行了概述,重点描述了振荡浮子式WEC的特点与适用性,并对其研究进展及存在的技术难题进行了详细分析。针对浮台主体结构,开展波浪能供电装置的结构设计与适应性改造,对装置结构进行有限元分析以保证强度、刚度满足集成要求;分析波浪运动与能量理论,推导入射波速度势、动压强,建立规则波与非规则波的能量方程,考虑绕射与辐射问题,解析浮体所受波浪力。分析浮体受力情况,确定浮体主体构型;建立浮体垂荡振动模型,研究浮体俘能机理,确定浮体运动与俘能特性的影响因素;研究PTO系统输出特性,确定最佳输出条件,理论分析与数值研究系统参数对PTO系统输出特性的影响规律;数值研究波浪参数、浮体结构及形状参数、PTO系统参数对浮体运动以及俘能特性的影响规律;为合理选择装置布放海域、优化浮体结构形状、设置PTO系统最佳阻尼、刚度条件提供理论依据。分析波浪能液压系统的功能与实现过程,制定系统传动方案;分析系统工作与控制过程,制定系统逻辑控制方案;设计陆地实验电控系统用于系统调试与测试;制定发电管控系统与工作模式控制系统方案,实现对装置实际工作的监测与控制;开展蓄能发电工作实验,验证间断蓄能发电方案的可行性。建立液压发电系统的AMESIM仿真模型,以提升马达转速、输出功率的稳定性为优化目标,确定蓄能器和节流阀的最佳设定;仿真分析蓄能发电过程,论证可行性;分别仿真研究液压泵和蓄能器供能下浮体下潜过程,确定系统的最佳压力与流量。最后对全文进行总结,并提出研究展望。本文对适用于锚泊浮台的波浪能供电装置的机械结构、液压控制系统进行了研制与优化,并研究了波浪、浮体及PTO系统等参数对系统功率特性的影响规律,论证了波浪能装置为浮台供能的可行性,为波浪能在锚泊浮台上的推广应用提供了一定的理论基础。
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