浮力摆式波浪能发电装置运动学仿真分析

作为浮力摆式波浪能发电装置的能量俘获部分,浮力摆的工作状态直接关系到整个发电装置的发电效率。为提高浮力摆式波浪能发电装置在各种波浪条件下(尤其是小波浪)的能量收集能力,最大程度地实现能量转化,在浮力摆各尺寸和结构不变的条件下,着重研究了浮力摆安装海域海况(波高、波浪周期)和浮力摆运行参数(浮力摆入水深度、重心位置和输出油压)变化对浮力摆运动规律的影响。应用ADAMS/MATLAB的耦合仿真技术,分析各参数对浮力摆运动的影响趋势,为优化浮力摆结构,提高发电效率指明了方向。     

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。     

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。     

摆式波能转换装置水动力特性频域分析

基于势流理论,建立波浪与摆式波能转换装置作用的三维频域分析模型。应用数值模型对两种质量的摆式波能转换装置进行水动力分析,在考虑粘性阻尼作用的条件下,计算传动系统的最优扭阻系数。在最佳工况下,开展了波浪频率对摆板运动响应和俘获能量影响的系统研究,给出了波浪最佳频率范围、摆板振幅、能量俘获效率以及摆板表面的波动压强。     

漂浮摆—斜坡组合式波浪能发电装置研究

目前全球对能源的需求急速增长,其中对可再生能源的需求也越来越大。中国将成为全球能源消费第一大国,研发高效的可再生能源装备已刻不容缓。我国有大量可开发的海洋波浪能,其中舟山附近海域的波浪能相当丰富。文中研发了适合舟山海域波浪条件的波浪能发电装置。具体研究内容包括以下几个方面:(1)从流体力学理论出发,采用斜坡将水平速度转化为垂向速度,设计了近岸固定式可适应潮位变化的波浪能发电装置。(2)进行了多种结构漂浮摆-斜坡组合的模型试验,找到了最佳结构方案,验证了漂浮摆原理的可行性。利用提升重物的方法获得了模型装置的一级波浪能捕获效率,成功通过液压装置将波浪能转化为电能。(3)建立了基于非稳态RANS的CFD仿真模型,分析漂浮摆式波浪能捕获模块的水动力性能。研究在不同载荷情况下漂浮摆装置的能量输出情况,得到了装置在特定工况下的漂浮摆受力情况,为能量转化系统设计和装置设计制造提供参考。     

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。     

一种浮摆式波能发电装置摆板运动响应的数值模拟

海况是影响波浪能发电装置运行效率的因素之一。以浮摆式波能发电装置为基础,描述了其中摆板系统的收集原理;并基于AQWA(advanced quantitive wave analysis)水动力学计算软件,仿真计算了三种波况下各摆板的运动响应,发现波向为45°角是摆板系统的最佳运行角度;当波高不超过0.6 m时,摆板的运动状态较易趋于平衡。另外,提出了一种估算摆板采集波能的平均转换效率的方法,并基于相关拟合函数软件,计算了5种较理想波况下摆板采集波能的平均能量转换效率,结果发现,波浪的周期和波高越大,摆板的波能采集效率越低。     

浮力摆式波浪能发电装置结构设计与强度优化

波浪能作为一种蕴藏丰富、可再生的清洁能源,在世界上受到了广泛关注。文中提出了一种浮力摆式波浪能发电装置,简要介绍了该装置的工作原理以及基本组成,并对其关键技术进行了研究;建立了装置动力响应特性模型,结合站址海域波浪环境条件对装置进行了水动力特性分析,获取装置对波浪的响应状况,确定了关键设计参数;利用该参数对装置进行了结构设计,并对其关键受力部位进行强度计算与优化。结果表明,装置在规则波条件下具有较高的能量转换效率,同时满足其在极限波况下的强度要求。     

浮力摆式波浪能发电装置模型试验

设计了一种浮力摆式波浪能发电装置,并根据其原理在实验室中开展比例模型试验。介绍了该装置的设计原理、试验原理,试验设计以及数据处理与结果分析,并在实验室模拟波况下,绘制出了波浪能装置的转换效率曲线。试验显示,该波浪能发电装置具有性能稳定,能量转换效率较高,能适应小波浪发电等特点。     

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。     

波浪发电装置浮筒的水动力特性及参数研究

针对我国波浪发电的发展现状,介绍了“海蛇”波浪发电装置的发电原理,并应用OrcaFlex 软件建立了装置的水动力数值模型,研究了“海蛇”装置浮筒的水动力特性.根据“海蛇”装置的结构特点,通过对活塞运动的时程曲线进行傅里叶变换,给出此装置一级转化总势能计算的简易方法.另外,通过改变浮筒的直径和长度,以装置的效率/体积比作为衡量系统经济性的指标,研究浮筒几何参数对装置一级能量转化效率的影响.结果表明,装置一级能量转化效率随浮筒长度和直径增加而变大,进一步分析表明,适当增加浮筒长度比增大直径更具经济效益.装置的效率/体积比随着浮筒直径增加存在先增加后减少的拐点,这可以为“海蛇”的初始设计提供一定的理论依据.     

An Experimental Study on A Trapezoidal Pendulum Wave Energy Converter in Regular Waves

Experimental studies were conducted on a trapezoidal pendulum wave energy converter in regular waves. To obtain the incident wave height, the analytical method (AM) was used to separate the incident and reflected waves propagating in a wave flume by analysing wave records measured at two locations. The response amplitude operator (RAO), primary conversion efficiency and the total conversion efficiency of the wave energy converter were studied; furthermore, the power take-off damping coefficients corresponding to the load resistances in the experiment were also obtained. The findings demonstrate that the natural period for a pendulum wave energy converter is relatively large. A lower load resistance gives rise to a larger damping coefficient. The model shows relatively higher wave energy conversion efficiency in the range of 1.0?1.2 s for the incident wave period. The maximum primary conversion efficiency achieved was 55.5%, and the maximum overall conversion efficiency was 39.4%.     

Design of a hydraulic power take-off system for the wave energy device with an inverse pendulum

This paper describes a dual-stroke acting hydraulic power take-off （PTO） system employed in the wave energy converter （WEC） with an inverse pendulum. The hydraulic PTO converts slow irregular reciprocating wave motions to relatively smooth, fast rotation of an electrical generator. The design of the hydraulic PTO system and its control are critical to maximize the generated power. A time domain simulation study and the laboratory experiment of the full-scale beach test are presented. The results of the simulation and laboratory experiments including their comparison at full-scale are also presented, which have validated the rationality of the design and the reliability of some key components of the prototype of the WEC with an inverse pendulum with the dual-stroke acting hydraulic PTO system.     

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。     

Investigation on the Oscillating Buoy Wave Power Device

An oscillating buoy wave power device (OD) is a device extracting wave power by an oscillating buoy. Being excited by waves, the buoy heaves up and down to convert wave energy into electricity by means of a mechanical or hydraulic device. Compared with an Oscillating Water Column (OWC) wave power device, the OD has the same capture vvidth ratio as the OWC does, but much higher secondary conversion efficiency. Moreover, the chamber of the OWC, which is the most expensive and difficult part to be built, is not necessary for the OD, so it is easier to construct an OD. In this paper, a nu-merical calculation is conducted for an optimal design of the OD firstly, then a model of the device is built and, a model test is carried out in a wave tank. The results show that the total efficiency of the OD is much higher than that of the OWC and that the OD is a promising wave power device.     

Numerical study of air chamber for oscillating water column wave energy convertor

Oscillating Water Column (OWC) wave energy converting system is one of the most widely used facilities all over the world.The air chamber is utilized to convert the wave energy into the pneumatic energy.The numerical wave tank based on the two-phase VOF model is established in the present study to investigate the operating performance of OWC air chamber.The RANS equations,standard k-ε turbulence model and dynamic mesh technology are employed in the numerical model.The effects of incident wave conditions and shape parameters on the wave energy converting efficiency are studied and the capability of the present numerical wave tank on the corresponding engineering application is validated.     

波浪对潮流能水轮机性能测试影响的实验研究

随着潮流能开发利用技术日趋成熟,对其测试工作也提出了更高的要求。然而,在潮流能装置性能测试中,波流相互作用的影响往往被忽略,导致测试结果不准确。为了研究波流相互作用对测试的影响方式与程度,采用物理模型试验的方法,对垂直轴潮流能发电装置模型进行了试验研究。通过分析波流作用下装置的扭矩、转速及发电功率,发现波流与发电装置耦合作用明显,相比不存在波浪影响的情况下,叶轮的转动、主轴的扭矩都变得不规则,启动流速变小,同时,扭矩、转速及发电功率的瞬时值显著增大。测试结果表明,波流相互作用对装置性能测试影响显著,平均影响程度约10%,研究结果为今后潮流能发电装置性能测试标准的制定和完善提供了参考和依据。     

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。