一种波浪能振荡浮子转换方式的研究

提出了一种阵列式同步带传动波浪能振荡浮子转换方式发电装置,研制内容包括:将齿条传动改为同步带传动;对单个振荡浮子采用2套同步带和2个超越离合器组合,实现振荡浮子上下运行双向做功;设计了振荡浮子导向机构;采用桁架结构将8个水槽8个振荡浮子组成的8套能量转换装置连接成为一个整体;通过8个动力输出轴的串联,将动力叠加传递给一个发电机;将能量输出点采用逐级加载方式,串联叠加输出功率;对理论设计运行特性与实测运行特性进行比较分析;对该波浪能转换装置运行进行考核;结果证明由多个水槽组成的造波装置可行,用同步带传动振荡浮子波浪能转换装置可行。通过机械串联将多个独立能量转换装置输出动力合成发电,增加了动力平稳性;该项研究为进一步进行实海况振荡浮子波浪能发电提供了相关数据、参考实物和宝贵的经验。     

振荡浮子式波浪发电装置物理模型试验研究

为了研究适合我国海况的波浪能发电装置,中国海洋大学工程学院对组合型振荡浮子式发电装置进行了研究,并于2012年12月在山东省海洋工程重点实验室的断面水槽中进行了物理模型实验。在这次实验中,建立了两种形状的浮子模型,即圆柱形和锥底圆柱形。实验室除了进行空载条件下的运动响应研究外,还利用齿轮齿条系统进行了有负载情况下的水动力性能研究。此外,还创造性地利用两组扭矩传感器和采集装置分别研究浮子上行和下行时的运动性能。经研究发现,浮子的效率至少与浮子的形状、质量、波浪的波高、周期以及负载有关。实验结果表明,锥底圆柱的运动性能优于平底圆柱(其中最优的锥角约为120°),浮子的质量与周期的共振关系要受到负载的影响,浮子的运动特性与波高近似呈正相关的关系。     

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。     

振荡浮子阵列间距的数值模拟

振荡浮子式波浪能发电装置是一类重要波浪能利用设备。但是这类设备的单体功率较低,为提高总输出功率,阵列式开始出现并成为研究热点。阵列式是指将若干浮子按照一定规则排列在海域中,通过整流设备将所获取的能量进行整合,统一发电并利用。文中介绍的研究其目的就在于研究浮子阵列的布置方式。在研究过程中利用CFD软件FLOW3D进行三维数值模拟,获得了浮子在实际波况条件下的波浪场分布情况。通过多属性决策方法确定优选排列型式,计算空间尺度,并进行验证。实验结果表明:在实验条件下后方浮子应排列在前方浮子正后方(行列应垂直布置),同排和同列相邻浮子优选间距为6.9m。     

波浪能振荡浮子转换方式实验装置的研究与设计

针对阵列式振荡浮子波浪能转换设备,提出一种在实验室进行测试研究的实验装置。该实验装置由一组阵列柱形水槽组成,水槽液面在水动力系统的驱动下,按照计算机设定的函数做升降运动;对该装置模型——柱形阵列水槽的假设,依据波浪理论进行了论证;对装置的工作原理、结构设计、技术参数、控制电路和操作运行等做了较详细的说明;对实验装置实际运行和测试情况做了介绍。结果表明:该实验装置设计合理可行,模拟波浪高度,远高于现有的造波水池,构成了一种专用的模拟造波装置;该装置为不同形式振荡浮子式波浪能转换设备的研制提供了一种多功能、大振幅、高效灵活的实验平台。     

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。     

垂荡式波浪能装置运动模型数值分析

垂荡式波浪能装置在海洋可再生能源开发中被广泛应用,通过浮子与摇杆在垂荡方向的相对运动吸收波浪能。在以往相关的运动预报数值分析中,通常基于微幅波假设,仅考虑浮子与摇杆在垂荡方向的运动,忽略摇杆其他自由度运动。建立并求解了垂荡式波浪能装置的非线性联合运动方程组,分析垂荡式波浪能装置的波浪载荷、浮子与平台连接处的受力情况。数值计算系统的运动响应,并将计算结果与已有的试验数据进行比较验证,结果表明数值模拟的垂荡式波能装置的运动响应与试验结果相符合。最后,应用本计算方法分析PTO(power take-off)参数对波能装置发电性能的影响。     

液压浮子式波浪能发电平台的SCADA系统设计研究

波浪能利用是近年来世界各国关注的热点问题,经过近30 a的不断研究开发,波浪能利用技术已取得重要进展。为使波浪能发电装置安全、可靠、经济运行,本文介绍了一种用于波浪能发电装置运行状态监控的SCADA系统,并针对液压浮子式波浪能发电平台进行了SCADA系统总体架构设计,详细分析了系统软、硬件组成,最后提出一种用于波浪能发电场管理的SCADA系统设计构想,为波浪能发电装置的现场监控及运行管理提供技术解决方案,使波浪能发电场得到统一管理和运营维护。     

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。     

一种与采油平台结合的新型波浪发电装置

本文基于前期对振荡浮子式波能发电装置的研究,提出一种与采油平台结合的新型波浪能发电装置,并采用水动力学软件Ansys-AQWA进行数值模拟,计算了不同波况条件下的发电装置受力与运动响应。分析发电装置稳定性和输出功率表明:在振荡浮子与采油平台导管架相结合的状态下,装置运行正常,平台稳定,波能利用率并未受到显著影响,初步验证了设计的可行性。通过频域计算,发现装置发电理想波频区间为1.2~2.0Hz;通过时域计算,发现浮子垂向平均最大位移、最大速度、最大加速度与波浪波高成正相关,垂向平均最大加速度与波浪周期成负相关,垂向平均最大波浪力与波浪周期成正相关,上述成果将为后续研究与试验提供一定的数据支持。     

南海海况下振荡式波能发电装置的研究与分析

振荡浮子波浪能发电装置能量的转换效率较高,可以在不同水深条件（特别是超过４０ｍ 的深水区）下工作,南海海域属于深水区,振荡浮子波能发电装置更能较好地适应。文章在已有资料的基础上,根据线性波浪理论中随机波浪力的理论,结合南海海况,计算振荡浮子垂直方向的波浪力分布,再用ＡＱＷＡ 模拟计算不同形状的浮子在随机波浪力下的运动与受力分析。综合以上研究得出适合南海海况的浮子形状,完成装置的初步优化,为装置的海试以及推广应用提供依据,为三沙市在海洋能（波浪能）利用方面提供参考。     

同轴双浮子波能装置水动力特性研究

本文对同轴双浮子波能发电装置进行了深入研究。采用Fortran语言对AQWA进行二次开发,并施以线性及非线性PTO反力,实现了装置的运动模拟,获得了双浮子装置的水动力特性及捕能情况。研究表明,波浪周期及内外浮子质量对装置获能影响显著,建议选用质量比为0.8的双浮子装置,并将其放置于周期与外浮子固有周期接近的海域中以实现最优捕能。     

阵列筏式波浪能发电装置建模与仿真分析

为了提高阵列筏式波浪能发电装置采能效率,对不同排列方式的振荡浮子与不同楔形角的试验平台模型进行组合,优化水动力结构模型装置。建立了振荡浮子和采能装置试验平台三维模型,并进行了仿真分析。分别分析了由3种排列方式的振荡浮子和3种楔形角情况下的9种模型在水深15 m、平台吃水1.2 m、振荡浮子吃水0.5 m海况下垂直方向的时域响应和频域响应,结果发现当模型的振荡浮子以错开方式排列且试验平台楔形角为60°时,振荡浮子在垂直方向的振荡速度最快,其RAO值也最大,说明该组合模型更有利于提高筏式波浪能发电装置的采能效率。     

基于介电弹性体的漂浮式振荡水柱发电分析

为解决海洋监测微型传感器供能问题,设计新型波浪能捕获装置,在海面振荡浮筒气室产生空气气柱,驱动介电弹性体形变发电为传感器供能。建立振荡浮子式气柱数值模型,研究新型振荡水柱发电计算理论。利用水动力仿真软件AQWA求解浮子所受波浪力作用振荡幅值、辐射阻尼和附加质量。基于Simulink软件分别计算波浪作用下浮子位移和气室内水柱位移,根据两者的位移差计算气室体积变化所产生的空气压强、介电弹性体发电薄膜形变量和系统输出电能,单次循环周期最大发电量达到24.6 mJ。分析波浪周期、发电薄膜几何参数等对输出电能的影响。     

双体波浪能装置运动及系泊系统特性研究

波浪能是一种清洁、可再生的新型能源,波浪能发电装置在海上作业时会受到变化的风、浪、流载荷作用,需要系泊系统保证其稳性和安全性。以适用于中国南海500 m水深的振荡双浮体式波浪能发电装置为研究对象,运用频域计算与时域计算结合的方法对双浮体及其系泊系统的运动响应和动力载荷进行计算,获取极端海况与工作海况下浮体运动和系泊缆索张力的时历数据。参照BV船级社NR-493规定的海上浮式结构物系泊安全系数规范,对3种系泊方案进行安全校核和对比分析。选定其中一种系泊方案,通过改变系泊系统以及能量转换器（PTO）的参数,探究参数变化对双体波浪能装置运动响应以及系泊系统特性的影响,为类似应用于深水的双体波浪能装置系泊系统的设计提供参考。     

10kW组合型振荡浮子波浪发电装置的电力变换与控制系统

设计并开发10kW组合型振荡浮子波浪发电装置的电力变换与控制系统,用以实现波浪能到电能的最大效率转化和利用。电力变换系统基于离网型"背靠背"式拓扑结构进行设计,采用蓄电池组并联直流母线的方案来进行储能。为克服潮差对发电装置带来的不利影响,设计了一种潮位自适应控制系统,以确保装置的发电效率和结构安全。开发了远程无线监控系统,真正实现了对无人值守的海上发电平台的远程监控。通过海试结果,验证了电力变换与控制系统的可靠性和有效性。     

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。     

一种新型六自由度波浪能装置的水动力学分析

浮子的能量收集效率对于装置发电效率的提升具有重要作用。针对传统浮子式装置仅具有一个自由度的问题,提出了一种新型六自由度波浪能装置。基于线性波理论和MMG(Ship Manoeuvring Mathematical Model Group)方法,建立了新型装置的水动力学模型。分析了此装置的浮子在线性波浪作用下的位移和速度。结果表明:新型六自由度装置可以同时收集浮子六自由度方向的动能,具有较高的波浪能收集效率。另外,浮子在垂荡方向上的动能远大于横荡、纵荡方向上的动能。分析了波浪能收集效率随波浪遭遇角与弹簧系数之间的变化规律,文中工作为新型波浪能装置的优化设计提供了有益参考。     

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。     

不同形状振荡浮子入水冲击的实验研究

振荡浮子在波浪能转换装置中应用非常广泛,在其服役期间,由于较小的设计吃水深度或为防避极端海况的需要,它们经常会离开水面;当其再次入水的时候,浮子底部就会受到入水冲击。入水冲击总是伴随着巨大的冲击压强以及冲击载荷,会导致浮子的结构性及疲劳性破坏,从而影响浮子的工作寿命。本文对锥形、半球形和横圆柱形三种形状的浮子入水冲击过程进行了实验研究,分析了浮子表面压强和冲击加速度的变化规律。主要结论如下:(1)在巨大的水阻力作用下,入水瞬间三种浮子表面压强急剧上升,迅速达到最高峰值;之后由于空气垫的作用,压强出现二次峰值现象。(2)在空气垫的作用下,三种浮子的最高压强峰值均未出现在浮子的最低点处,而是出现在外围某处。(3)三种浮子在触水瞬间的加速度均达到hm/s~2的量级,而后急剧下降,并在较短时间内达到一平衡值并沿其小幅震荡。(4)横圆柱形浮子由于其非垂直轴对称性,其表面压强和加速度的震荡更加明显。