浮子式波浪能转换装置研究概述

文章介绍了几种浮子式波浪能转换装置及其工作原理,总结国内外学者对其中几种装置的优化研究,并对浮子式波浪能转换装置的发展前景进行了分析。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

锥形振荡浮子入水冲击问题的数值模拟研究

锥形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。基于Fluent软件对锥形浮子的入水冲击过程进行了模拟仿真,研究了具有不同斜升角的锥体在入水冲击过程中所受的冲击压强、冲击载荷、冲击速度的时空变化规律,以及各冲击参数之间的关系。结果发现:(1)锥形浮子在入水瞬间的毫秒量级时间内受到极大的冲击压强和冲击载荷;(2)最大压强出现在锥顶点处,且锥顶点压强和锥表面压强之间的差距随着入水深度的增加而逐渐减小;(3)锥顶点压强峰值早于冲击载荷峰值而出现,并且两者之间的时间间隔随着锥体斜升角的增加而增大;(4)其他条件不变时,斜升角越小的锥体其所受的入水冲击越大。     

鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率研究

为了更加切合实际地研究鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率,考虑了鸭式装置可绕定轴转动以及装置的附加质量和附加阻尼,以ANSYS14.0软件为平台建立二维数值波浪水槽,对装置在不同波浪条件作用下的受力情况与运动情况进行了数值模拟与分析。结果表明:(1)在相同波高条件下,随着波浪周期的增大,装置受到的水动力力矩增大,转换效率下降,转换效率最高可达到70%;(2)在相同周期条件下,随着波高的增大,鸭式装置受到的水动力力矩也随之增加,波浪在经过装置后波高会发生衰减;(3)装置转换效率总体可维持在70%左右,但由于波峰到达装置时会有部分波浪从其顶部越过,随着波浪波高增大转换效率缓慢下降。为该装置的实际应用提供理论支持。     

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.     

半球形多向波聚合波道振荡水柱气室优化设计

为了解决振动水柱式波浪能转换装置收集多向波浪问题,本文设计了半球形多向聚合波道振荡水柱气室结构,以适合远海单点波浪能采集和发电。在规则波正向入射条件下,基于流体仿真分析软件(FLUENT)、流体动力学连续性假设和粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程(Navier-Stokes方程)建立半球形振荡气室和三维数值波浪水槽模型。仿真结果表明:增设气室后壁,合理设计波道开口角度实现多向迎波捕获波浪能,优化前壁形状可降低波浪触底反射带来的能量耗散,同时提高了气室内空气压强和出气口速度,有效提升波浪能俘获效率,为后续发电的二次能量转换提供高效的空气动力。     

后弯管式波力发电装置气室结构的试验研究

后弯管式波力发电装置作为一种漂浮式振荡水柱式装置,具有可靠性强、安装维护方便、工作地点灵活的特点。本文在前人研究基础上,以10kW级后弯管式漂浮型发电装置为研究对象,以装置的水动力学性能为主要研究内容,以气室内相对波高作为主要表征参数,通过断面水槽水工物理模型试验,考察了气室内水柱振荡幅度与入射波波高和入射波周期之间的关系,分析了气室完全开敞、输气管添加负载以及弯管横管长度对气室内水柱振荡的影响,为进一步的大功率装置设计与试验提供了理论依据。     

Wave Energy Study in China: Advancements and Perspectives

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波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计

移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制,影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标,该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成,利用波浪垂荡运动,推动水下推进机构叶片的摆动,引起水下推进机构在水平方向向前的升力,使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机,并进行了海试。实验表明,在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。     

基于GNSS浮标的波浪反演技术研究

波浪观测在海洋环境预报、海洋工程建设、海洋资源调查、航海安全等领域具有重要作用。基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）浮标进行波浪观测的方法具有全天候、实时、准确度高、价格低等诸多优点,同时还可以在浮标上集成其他海洋环境测量仪器,因此越来越受到世界各国研究者的重视。本文提出一种基于GNSS浮标的波浪参数反演方法,并成功应用于浙江温州海域,在海试过程中,同公认的波浪骑士浮标对比,平均波高相关系数达到0.95,标准差为4.06 cm,平均波周期相关系数为0.92,标准差为0.24 s,完全符合国家标准。本文所用浮标系统还可以搭载多种海洋环境要素观测传感器,可将数据实时传输至接收终端,具有较高的应用价值。     

深海资料浮标体及系泊系统的阻力试验研究

本文结合国家“七五”重点科技攻关项目“深海资料浮标”研制而进行浮标体和系泊系统的各种阻力试验研究，试验成果已直接应用于深海资料浮标系泊系统设计。实践表明本文介绍的各种阻力试验结果是可靠的。     

Capture Performance of A Multi-Freedom Wave Energy Converter with Different Power Take-off Systems

Among the wave energy converters (WECs), oscillating buoy is a promising type for wave energy development in offshore area. Conventional single-freedom oscillating buoy WECs with linear power take-off (PTO) system are less efficient under off-resonance conditions and have a narrow power capture bandwidth. Thus, a multi-freedom WEC with a nonlinear PTO system is proposed. This study examines a multi-freedom WEC with 3 degrees of freedom: surge, heave and pitch. Three different PTO systems (velocity-square, snap through, and constant PTO systems) and a traditional linear PTO system are applied to the WEC. A time-domain model is established using linear potential theory and Cummins equation. The kinematic equation is numerically calculated with the fourth-order Runge–Kutta method. The optimal average output power of the PTO systems in all degrees of freedom are obtained and compared. Other parameters of snap through PTO are also discussed in detail. Results show that according to the power capture performance, the order of the PTO systems from the best to worst is snap through PTO, constant PTO, linear PTO and velocity-square PTO. The resonant frequency of the WEC can be adjusted to the incident wave frequency by choosing specific parameters of the snap through PTO. Adding more DOFs can make the WEC get a better power performance in more wave frequencies. Both the above two methods can raise the WEC’s power capture performance significantly.     

Experimental Study on Conversion Efficiency of A Floating OWC Pentagonal Backward Bent Duct Buoy Wave Energy Converter

Wave tank tests were carried out to evaluate the total efficiency of a floating OWC Pentagonal Backward Bent Duct Buoy (PBBDB). Two kinds of turbine generators were used in tests. The incident wave power, pneumatic power and electricity were measured. The test results show that the primary efficiency can reach up to 185.98% in regular waves and 85.86% in irregular waves. The total efficiency from wave to wire with Wells turbine-generator set is 33.43% in regular waves and 15.82% in irregular waves. The peak total efficiency of the PBBDB with check valves equipped with the impulse turbine-generator set is 41.68% in regular waves and 27.10% in irregular waves. The efficiency of the turbine-generator set is about 30% in the tests. Obviously, the total efficiency can be further improved with the increasing of turbine efficiency.     

浮标在风浪中的运动特性分析

通过统计分析方法 ,提出了浮标在风浪中的运动频谱特性。实际应用证明 ,运用本文所提出的方法 ,可以优化设计浮标的运动特性。