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应用于网箱养殖的多能互补发电系统的研究

应用于网箱养殖的多能互补发电系统的研究

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作者：申玉上海海洋大学

学位级别：硕士

当今世界能源短缺,海洋能作为清洁无污染的可再生能源成为世界共同关注的焦点。目前潮流能、潮汐能、波浪能、海上风能等的发电技术已趋于成熟,但海洋能稳定性差且能量密度较低,单一能源发电不稳定,如何提高系统输出的稳定性、降低海洋... 详细信息

当今世界能源短缺,海洋能作为清洁无污染的可再生能源成为世界共同关注的焦点。目前潮流能、潮汐能、波浪能、海上风能等的发电技术已趋于成熟,但海洋能稳定性差且能量密度较低,单一能源发电不稳定,如何提高系统输出的稳定性、降低海洋能开发成本成为海上多能互补发电系统研究的主要趋势。针对海上多种能源综合互补利用提高能量转化率的问题,本文提出一种应用于网箱养殖的多能互补发电系统的研究。深水网箱养殖容易受到潮流及风浪的破坏,且现代网箱养殖进入智能化的阶段,投饵机、监测装置及网箱清污器等配套设备所需的电能难以补充,本文提出的一种应用于网箱养殖的多能互补发电系统完美的解决了这一问题。应用于网箱养殖的多能互补发电系统主要由水平轴式潮流能水轮机及抗风浪自供电浮式消波堤组成。水平轴式潮流能水轮机主要应用于海面以下对网衣的保护,防止水下网衣在潮流能的长期冲击下造成破坏,起到阻流发电的效果;抗风浪自供电浮式消波堤主要应用于海面上网箱的防护,保护海面上网箱的栏杆、网衣等免受强风大浪的摧残,具有抗风浪发电的功能。主要做了以下工作:(1)统计了我国海洋能源分布情况,研究了福建的水文状况,针对应用于网箱养殖多能互补发电系统的工况进行了分析;(2)介绍了应用于网箱养殖的多能互补发电系统的总体设计方案及工作原理,应用叶素动量理论对叶片进行受力分析,通过周向及轴向诱导因子,计算出叶轮所受的推力及转矩,由贝茨极限推导出获能系数及尖速比的计算方法。利用湍流模型的N-S方程对流域进行计算分析,仿真过程采用非耦合隐式算法,求解二维定常流动。应用动区域计算网格中的滑移网格方法进行网格划分;(3)对应用于网箱养殖的水平轴式潮流能水轮机的叶片翼型进行选型及设计,应用profili翼型设计软件进行选型分析,分析了不同雷诺数下Brogginis、GOE165及NACA663三种翼型升力、阻力、升阻比及俯仰力矩的值,对比分析选出Brogginis为设计翼型,将Brogginis翼型的前半段绕中弧线的中点旋转180°设计成对称S翼型;应用三维建模软件对三维模型应用拟合的方法进行叶轮线型的提取,导入Bladegen软件进行叶轮型线的二次拟合,根据型线的数据点对前缘、尾缘型线的角度进行调整,对压力面及吸力面的线型进行控制。依据仿真后处理结果在Bladegen软件中继续对叶轮优化分析。提取相关参数输出水轮机的模拟特性,实验室实验得出不同模拟流速与获能效率的关系曲线,叶轮在海水流速为0.5m/s下实现了自启动;(4)设计了应用于网箱养殖的自供电浮式消波堤,对其基本概念、结构设计及工作原理进行了分析,借鉴垂直轴式水轮机叶轮的设计方法进行设计,对模型进行简化处理,应用fluent水动力分析软件对消波堤进行被动运动分析,计算了3种不同流速下消波堤的转矩,转矩值皆趋于稳定说明消波堤装置在工况下运行的稳定性,在入口速度为4.47m/s时的仿真云图进行压力、速度的分析。最后通过实验进行验证,由模拟值与实验值的尖速比与获能效率对比曲线得出,实验时在尖速比为2.0时获能效率达到最大值为20%,实验值与模拟值得误差在10%以内,证明实验室实验具有可信度;(5)由于风浪的不稳定性系统应用了风机的防抱死刹车电路,防止海上风浪过大对消波堤及负载造成损坏。应用于网箱养殖的多能互补发电系统可同时进行阻流、抗风浪,克服了单一能源供电不稳定的缺点。合理的布局和配置使得多种能源协调利用,提高了系统的利用率及能量转化率,对我国网箱养殖的智能化和自动化发展具有重要作用。

关键词：多能互补自供电浮式消波堤水平轴式水轮机阻流抗风浪网箱养殖

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