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。     

动力输出系统(PTO)对集成波能转换装置式防波堤消波性能及波能捕获率影响研究

针对波浪能转换装置(WEC)研究重点主要集中在能量捕获效率方面,而忽略其附带的消波功能的问题。基于Open FOAM程序,建立垂荡浮子式波浪能发电装置与桩式约束的浮式防波堤的集成系统(OBC-FB)。主要研究WEC中的重要组件动力输出系统(PTO)对集成系统波能捕获效率及消波性能的影响。分析流体黏性影响下线性PTO系统的最优PTO阻尼特性。开发非线性电磁阻尼模型与线性PTO系统性能进行比较。结果显示,考虑黏性影响下线性的最优PTO阻尼系数略大于无黏的理论值;适当增大PTO阻尼系数可以获得更大的波能捕获宽度比(CWR),从而可以保证装置单位特征尺寸的波能转换效率更高,同时可以在更宽波况范围保证消波性能;相较于线性PTO阻尼系统,非线性电磁PTO阻尼系统可以更好地兼顾波能捕获效率和消波性能。因此,在OBC-FB集成系统的优化设计中,PTO阻尼系统是一个重要的优化参数。     

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.     

集成波能转换功能的方箱—挡浪板式浮式防波堤水动力特性研究

浮式防波堤与振荡浮子式波浪能转换装置集成是一种较为合理的波浪能开发利用方式,基于方箱式浮式防波堤—波浪能转换集成系统和幕帘式防波堤的研究成果,提出了一种新型方箱—垂直挡浪板式浮式防波堤—波浪能转换集成系统,建立数学模型对该集成系统的水动力特性和能量输出特性进行研究。模型基于N-S方程,采用紧致插值曲线(CIP)方法结合浸没边界法(IBM)求解。运用数值模型探究在一定波浪条件下,动力输出系统(PTO)阻尼力的大小以及挡浪板对集成系统的水动力特性和能量转换特性的影响,得到如下结论:集成系统的俘获宽度比随PTO阻尼力的增大呈现先增大后减小的趋势,在阻尼力F_(PTO)=150 N时达到最大;相对于方箱型集成系统,增设0.1 m挡浪板后可使其最大俘获宽度比η_e提高33%左右;此外,集成系统的俘获宽度比随挡浪板长度增加而增大,增长趋势逐渐变缓,在挡浪板长度S_p=0.5 m时达到最大,此时俘获宽度比η_e=0.563 1。     

振荡浮子波能发电装置浮子运动性能的试验研究

振荡浮子是当下波浪能发电装置中的一种典型形式,其能量俘获装置的设计及水动力学分析是波浪能开发利用技术中的一项关键技术。振荡浮子波能发电装置采用液压机构驱动发电机作为PTO系统,研究通过水工物理模型试验的方法,以浮子的水动力性能为主要内容,讨论了浮子在波浪场作用下的运动状态,以及考虑PTO后浮子的运动特性。通过两者对比,得出了振荡浮子在液压式非线性PTO作用下运动性能,为该类装置的实用化设计提供了参考依据。     

双浮子点吸收式波能转换装置参数研究

点吸收式波能转换装置是具有较好应用前景的一种波浪能开发利用装置,其参数设计直接影响到波浪能开发利用的可行性与有效性。作者针对青岛斋堂岛目标海域海况,通过数值模拟首先应用单因素敏感性分析法分析了双浮子点吸收式波能转换装置的结构尺寸、锚固形式、波流夹角、PTO阻尼、PTO刚度等参数对装置俘能功率的独立影响规律。之后考虑多参数的综合影响,通过运用稳健设计方法,以上述参数为控制因子并确定合理的变动水准,将俘能功率作为评价标准,选取合理的正交实验L矩阵,得到了不同参数组合情况下的装置俘能功率并进行统计分析。结果表明,浮子尺寸、PTO阻尼、波流夹角对装置俘能功率影响较大,而PTO刚度、锚链与铅垂线夹角、锚链与波浪在水平面内的夹角对俘能功率影响不明显。提出的参数研究方法可为其他海域点吸收式波能转换装置参数设计提供参考。     

摆式波浪能发电装置水动力学研究

对实际工程中的浮力摆式波浪能发电装置进行水动力学研究和优化设计,得到提升波浪能发电能力的方法。首先建立波浪能水动力性能的评估体系,其核心是估算浮力摆波浪能发电装置俘获效率,其中波浪输运能量根据实际海况条件,利用随机波浪理论进行估算,浮力摆俘获能量估算则根据水动力学模型时域计算结果;然后依据建立的水动力性能评估体系,以浮力摆摆板宽度和后端负载为变量进行优化设计,总结了提高波浪能俘获能力的方法,即增大浮力摆宽度,并相应提高匹配负载;最后分析了两套浮力摆的交互作用,计算结果表明,如果将两套设备俘获能量通入同一组蓄能装置中,输入能量更加平稳,即利用浮力摆俘获波浪能的相位差,可以显著提升波浪能发电装置的发电能力。     

新型浮力摆式波浪能发电装置波-电动力学建模和时域特性分析

主动共振浮力摆式波浪能发电装置通过调节内部配重位置实现共振发电。本文以基于机械式动力输出系统（Power Take-off, PTO） 的主动共振浮力摆式波浪能发电装置为研究对象,构建波-电时域动力学模型并验证模型可行性, 该模型的非线性特征主要体现在正弦函数形式的静水回复力矩及止动力矩中。进一步, 研究自振周期同不规则波能量周期一致的共振状态下,不同负载形式及取值大小对装置时域响应曲线、时均功率和效率的影响。研究结果表明： 不同负载设置对俘获宽度比的影响大于PTO 传动效率。阻性负载值过大或过小均会削弱俘获宽度比, 使有功时均值和发电效率下降, 共振状态下, 负载的感性或容性成分会使发电机产生大量无功, 且无功有正有负, 感性或容性成分能有效削弱俘获宽度比、有功时均值和发电效率。     

100kW一基多体漂浮鹰式波浪能发电装置模型试验研究

一基多体漂浮鹰式波浪能装置是一种新型的利用波浪发电的离岸漂浮式波浪能装置群,该波浪能发电装置是对已经成功发电的"鹰式I号"波浪能装置的改进优化。文中介绍的一基多体漂浮鹰式波浪能装置由4个鹰头吸波浮体、浮力舱、波浪能母船(水下附体)、半潜船、能量转换系统、锚泊系统等组成。该波浪能装置特殊设计为4个鹰头吸波浮体对称安装在一个波浪能母船上,共享能量转换系统和锚泊系统。通过一系列水槽模型试验,获得匹配各个波浪要素最优负载,测得模型在不同波浪要素下的一、二级能量转换效率,以及锚泊系统的受力。试验结果表明,模型具有良好的水动力学性能,模型俘获波浪能的能力并不受入射波的来浪方向影响,锚泊系统对模型起到了稳固、提高波浪能俘获效率的作用。     

点吸收式波浪能俘获装置结构优化方法研究

根据布设海域波浪能资源特征,对点吸收式波浪能装置结构进行优化,可有效提高装置的能量俘获效率。本文以威海褚岛北部海域为装置布设目标海域,在对该海域波浪资源特征进行统计分析的基础上,计算得到装置的直径,同时利用数值软件计算出多组工况下点吸收装置吃水深度和装置固有周期的对应关系,并利用统计学方法得出装置固有周期随吃水深度的变化规律,进而分析得出装置在该海域的最佳设计吃水深度,为点吸收波浪能装置结构优化设计提供了新的思路。该方法对于其他技术类型波浪能装置的结构优化设计同样具有借鉴意义。     

10kW漂浮点吸收直线发电波力装置

点吸收式是目前世界上发展较多、转换效率较高的一种波浪能利用技术,介绍我国自主研发的一台10 kW漂浮点吸收波浪能直线发电装置。该装置主要由4 m直径蝶形振荡浮子、6 m直径水下阻尼板、1 t重直线发电机组成,整个装置漂浮在海面上,是一个钢结构体。装置外形为煤油灯形,采用共振聚波和阻尼匹配技术提高装置的转换效率,有效发电时间不受来波方向和潮位的影响,针对构成装置的不同材料采用不同的防腐技术提高装置的整体抗海水腐蚀能力,采用下潜方式躲避台风打击,采用蓄能技术提高锚泊系统抗走锚和断链能力。直线发电机是一个圆筒型结构体,具有较高的转换效率和防海水腐蚀能力。发电装置进行了实海况试验,为后续的研究工作提供了相关经验。     

WEC-透空式防波堤集成装置能量转换效率研究

基于成本共享理念的波浪能发电装置(WEC)的开发与设计为降低建设成本提供了新的研究思路,应用计算流体力学方法对在透空箱式防波堤前附加垂荡浮子的集成装置进行数值模拟研究,主要研究了流体黏性和非线性PTO系统以及浮子形状对此类集成装置能量转换效率的影响。结果表明,此类集成装置可以获得较高的波能捕获宽度比(CWR),最高可达0.7,可以较好地利用反射波波能。共振区间上受黏性影响较大,相比于线性无黏理论解,CWR下降明显;实现了2种非线性PTO系统的模拟,有待于进一步的优化未获得更高的CWR值;浮子形状优化效果明显,采用圆底形浮子受黏性影响更小,可以获得更大的CWR值。此种集成模型的模拟和研究可以为新型防波堤设计和现有防波堤的改造提供思路和参考。     

底铰摆式波浪能转换装置实验研究

海洋波浪能的开发利用对解决当今社会环境压力、能源危机具有重要的现实意义。通过对一种底部铰接摆式波浪能转换装置的实验,研究装置不同能量转换阶段的效率特点。以电阻负载作为摆板波浪能转换的载体,代替常规动力负载阻尼进行能量吸收;以测量传动链条拉力和位移代替常规测量转轴扭矩和角度计算波浪能功率吸收,并给出由电阻负载换算为动力负载阻尼的公式。结果显示,以电阻为波浪能吸收的负载载体简单有效;摆式波浪能转换装置的一次转换效率较高,中间转换效率相对较低,因此总转换效率表现不是太高。     

点吸收式波浪能发电技术的研究现状与展望

通过分析波浪能利用背景,提出点吸收式波浪能发电技术是波浪能开发利用的一种重要方式。以安装位置、能量传递方式和振荡浮子个数对点吸收式波浪能发电装置进行了分类。结合研究现状,对各类点吸收波浪能收集、转化和传递方法及其应用的优缺点进行了综合比较和分析。结果表明:安装于离岸10~25 m处,以多个振荡浮子组成的浮子阵列为能量摄取机构,以液压或直线电机为能量传递方式是目前点吸收波浪能发电技术的研究热点,在波浪能利用领域具有广阔的发展前景。     

筏式波浪能发电装置浮体水动力相互作用与能量俘获研究

基于三维势流理论,建立筏式波浪发电装置多浮体水动力模型。利用AQWA水动力软件研究多浮体水动力相互作用对发电装置浮体单元水动力系数的影响;将能量转换系统等效成刚度-阻尼模型后,对其进行不规则波时域模拟,对比分析方向谱和频率谱波浪模型对波浪发电装置能量吸收的影响。结果表明:浮体之间的水动力相互作用对浮体单元纵荡方向上的附加质量与辐射阻尼系数有明显的影响,对垂荡和纵摇方向上的水动力系数影响较小;不同的波浪模型下,能量俘获功率有着较大的差别,特别是在迎浪状态下。     

基于波浪能的浮式装备随体供电技术研究

随着我国海洋开发向深远海方向发展，各类海洋装备长时间工作于深远海域，能源供给极不方便，迫切需要一种便捷的能源供给方式。针对上述需求，提出了一种可内置于海洋浮式装备的波浪能转换装置，以海洋浮式装备为载体，依靠载体在波浪作用下的垂荡运动获取波浪能，由于惯性波浪能转换装置的振子在弹簧的作用下产生振动，驱动动力输出(PTO)系统做功，将波浪能转换为电能。基于流体力学基本原理， 建立了浮体与波浪能装置的耦合运动学模型和能量转换数学模型，分析不同参数对 RAO 和 CWR 的影响。通过优化分析，本文所提出的基于惯性原理的双共振波浪能转换装置能量转换效率最高可达 45%以上，可有效地应用于海洋浮式装备，具有可观的应用前景。     

基于MATLAB and Simulink的波浪能装置液压能量转换系统仿真研究

液压式能量转换系统是波浪能发电装置应用最为广泛的一种能量转换方式。本文针对波浪能液压能量转换系统展开了模型仿真研究,建立了带有蓄能稳压环节和液压自治控制器的波浪能装置液压能量转换系统的数学模型。基于所建立的数学模型搭建了波浪能装置液压转换系统的MATLAB and Simulink仿真框图,对系统进行仿真,并利用实海况实验得到的发电数据和仿真数据进行对比。结果显示,二者之间的相对误差较小,验证了该系统仿真模型的准确性。此外,还分别模拟了规则波和随机波输入情况下液压能量转换系统的发电特性曲线。仿真结果表明,无论是规则波还是随机波,经过液压能量转换系统之后,输出的发电特性都比较稳定,也即是利用该能量转换系统实现将不稳定的波浪能转换成稳定的电能,提高了发电质量,为后续的电力输送及并网提供了便利。     

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。     

点吸收式波浪能发电装置姿态特性分析

点吸收式波浪能发电装置是一种最简单的振荡体式波浪能发电装置, 但其安装成本高、生存能力较差。本文针对点吸收式波浪能发电装置的姿态稳定性问题, 开展了其在波浪作用下的运动姿态和发电功率之间的关系研究。首先介绍了点吸收波浪能发电装置的工作原理; 然后,根据我国南海海域的自然资源条件, 划定波况范围, 利用相似理论在实验室中模拟波浪参数,选定工况, 建立模型, 设计测量系统, 开展物理模型试验; 最后, 利用试验结果分析了发电装置的最佳发电周期、波高对装置发电功率的影响, 装置姿态对发电功率的影响等。本文为点吸收式波浪能发电装置设计及测试提供了参考。     

改进型中心管模型能量转换性能试验及样机设计

为了提高中心管振荡水柱波浪能利用技术能量转换效率,基于新的认识和目前常用的2.4米导航灯标,对中心管尾部设计了三种模型并在造波水槽中进行能量转换性能试验。试验结果表明:直管型中心管俘获宽度比最高达到了70.25%,但通频带宽度窄;加长喇叭口型中心管略好于喇叭口型中心管;在喷咀比为0.02条件下,加长喇叭口型中心管浮体有较高双峰俘获宽度比,波峰为40.0%,波谷为31.6%,通频带宽,为随机波下高效转换创造了条件。最高俘获宽度比和双峰通频带特性实验数据结果都优于历史文献值。根据试验数据对一些适合小型海洋仪器供电的样机进行了设计,设计的样机具有较高的性价比。