沉箱基础对摇板式波浪能装置水动力性能影响研究

摇板式波浪能转换装置具有频率响应范围广、可靠性好、常规海况下转换效率高、建造成本低等优点。基于势流理论建立具有沉箱基础的摇板式波浪能装置水动力性能的解析解。将解析结果与文献中已有结果和边界元数值结果进行了对比,验证了解析解求解过程的正确性。通过算例分析,研究了波浪入射频率、沉箱基础高度、沉箱基础宽度、摇板位置、摇板厚度和摇板密度对装置能量俘获效率的影响。研究结果表明：采用合适高度的沉箱基础能显著提升装置性能;长波海况下,摇板铰接在沉箱基础背浪侧上表面时装置性能更佳,而短波海况下,摇板铰接在沉箱基础迎浪侧上表面更为合理;沉箱基础宽度的推荐值为0.5到1.0倍水深;适当减小摇板厚度能够提升装置性能;应优先选用密度较大的摇板。     

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。     

点吸收波浪能转换装置的非线性动力学分析

点吸收式波浪能转换系统是最有效的波浪能利用装置之一,为提高能量利用性能该装置中的能量输出系统(Power Take-Off,简称为PTO)常设计有非线性环节。本文考虑了PTO中的非线性阻尼和非线性刚度等因素,对点吸收式波浪能转换装置的动力学进行了研究。根据流体动力学软件获取了浮体在波浪作用下的水动力参数,建立了PTO中包含中非线性阻尼和非线性刚度的动力学方程,采用Runge-Kutta法对其时域响应进行了求解,并分析了波幅和不同非线性刚度系数对能量俘获宽度的影响,研究表明选择合理的立方刚度非线性系数可以增加能量俘获宽度,提高能量利用率。     

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。     

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。     

相交圆柱摆式波能装置俘获效率数值分析

摆式波能装置具有结构简单和转化效率高等特点,本文应用AQWA 软件基于势流理论对相交圆柱摆式波能装置进行了数值模拟研究,分析了轴间距比、结构阻尼、净浮力比、水深、波浪特性及吃水深度等主要参数对相交圆柱摆式波能装置俘获效率的影响,并与直板摆式波能装置的俘获效率进行了对比。结果表明：同样条件下,相交圆柱摆式波能装置往往比直板摆式波能装置的俘获效率更高;在研究范围内,轴间距比越大俘获效率越高;潮汐导致的水深变化对底铰摆式波能装置的俘获效率具有明显的影响,在工程应用中应采取适当的措施进行处理。     

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。     

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。     

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。     

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。