基于AquaBuOY波能转换器的技术特性研究

文章描述了IPS浮标和瑞典软管泵技术结合的AquaBuOY点吸式波能转换器结构的设计理念和性能模拟,计算了用于准确地预报近海发电厂性能参数和经济学的AquaBuOY临界特性,并略述了马考湾(Makah Bay)近海示范发电厂的经验和数据结果.     

集成于方箱防波堤的双气室振荡水柱波能装置转换效率研究

为实现建造、运行和维护等方面的资源共享,将振荡水柱(oscillating water column,简称OWC)波能转换装置与现有海工结构集成耦合,已成为目前海洋波浪能转换利用的热点问题。以集成于方箱防波堤的双气室OWC装置为研究对象,借助开源代码平台OpenFOAM和造/消波工具箱waves2Foam,采用流体体积法(VOF)捕捉自由面和6自由度(6DOF)动网格求解器模拟垂荡运动响应,对在不同规则波作用下,中墙相对宽度、中墙相对吃水对装置波能转换效率及水动力特性的影响进行数值研究。结果表明,较大的中墙相对宽度能够增强装置的波能转换效率(ξ_total(max)=73%)、降低结构物的相对垂荡位移并对装置前后气室内水柱的振荡幅度与压强变化产生影响;增加中墙相对吃水能显著提高气室在中高频波段波能提取效率(ξ_total(max)=78%),并显著拓宽气室的高效频率带宽(0.9≤ω²h/g≤2.2)。     

一种计算有限水深波能功率的新方法

海洋波浪能平均功率的准确计算是波浪能开发和利用的基础。实践中,波浪能转换装置一般安装在有限水深区域。对于随机波,只有当详尽的波浪谱已知的时候,有限水深区的波能功率才能被准确计算出来。由于种种原因,实践中波浪的实测数据大多以散点图或有义波高和统计波周期的形式给出,而波浪谱信息有时则很难获得。基于这种情况,传统上人们利用无限水深条件下的相关公式来估算有限水深区域的波能功率,但这种做法会造成较大的误差。本研究显示,对于50 m水深的理论波谱JONSWAP谱来说该误差高达14.6%。为了提高波能功率计算的准确性,本文提出了一种基于能量频率的一阶和二阶近似算法,可以在未知波浪谱的情况下较为准确地计算不同水深时的波能功率。针对两种理论波浪谱的计算结果表明,本方法在计算有限带宽内的波能功率时计算误差低于2.8%。     

一种铰接摆式波浪能转换装置结构性能分析及优化

对一种海底铰接摆式波浪能转换装置进行了模型建立及控制优化。分析了装置的水动力特性,考虑黏性阻尼,研究了压载和负载阻尼的控制对装置的波能转换功率和效率的影响。指出对海底铰接摆式波能转换装置而言,由于多数周期附加转动惯量较装置本身的转动惯量大很多,因此压载控制对波能转换功率和效率的影响较小,而负载阻尼的控制则表现出较好的效果和可行性。     

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。     

一种海洋柔性胶囊波能发电装置研究

海洋波浪能可再生能源的开发是未来发展的趋势,开发设计更为高效的波能转换利用装置是开发利用波浪能的关键。根据脉搏脉动机理,设计发明了一种柔性胶囊发电装置,利用柔性结构的强收缩性,让其随着波峰波谷收缩扩张,进而形成脉动来传输水体,使相连尾端竖管内水位随着脉动骤升骤降来压缩排出和快速吸入空气。进行了一系列探索性实验,着重研究柔性材料厚度、波高、周期、气室孔径对该试验装置的波能转换率的影响,数据表明,柔性硅胶管有很好的聚波作用,气室的设计和建造对波能转换效率有较大的影响。     

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。     

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。     

双击水轮内流道波能捕获装置研究

高效率波能发电系统的研究能够解决我国海岛的能源短缺问题。针对我国海浪谱主频带的频率较高,且能量显著集中在某一频带内的特点,选取基于双击转子的波能捕获系统,结合内流道的设计,水体的固有频率能够随着入射波频率的变化而变化,从而吸收海浪谱主频带内的波能。系统具有以海水为工作介质,发电环节选取直驱式旋转发电机,漂浮式安装的特色。其研究内容为:基于波能捕获装置的宽频带设计理论,设计和优化流道,确定内流道的型面,保证波浪激励能够充分转化为流道内水体的振荡。研究的波能发电系统具有工作带宽大、能够适应中国沿海的波能状况。可以提高系统运行的效率,为波能发电系统相关领域的理论研究和实际应用奠定基础。发电装置进行了实海况试验。     

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。     

Research on energy conversion system of floating wave energy converter

A wave power device includes an energy harvesting system and a power take-off system. The power take-off system of a floating wave energy device is the key that converts wave energy into other forms. A set of hydraulic power take-off system, which suits for the floating wave energy devices, includes hydraulic system and power generation system. The hydraulic control system uses a special“self-hydraulic control system”to control hydraulic system to release or save energy under the maximum and the minimum pressures. The maximum pressure is enhanced to 23 MPa, the minimum to 9 MPa. Quite a few experiments show that the recent hydraulic system is evidently improved in efficiency and reliability than our previous one, that is expected to be great significant in the research and development of our prototype about wave energy conversion.     

Practical considerations on nonlinear stiffness system for wave energy converter

Mechanical restoration of a point absorber (PA) wave energy converter (WEC) featured a nonlinear stiffness system built by conventional mechanical compression springs (NSMech). Numerical simulations conducted here considered irregular waves in a specific sea site. Results showed considerable improvement for a given suitable spring configuration (length and stiffness parameters). However, practical implementation of NSMech imposed limiting constraints on the geometrical and physical characteristics of the mechanical compression springs. Such constraints limited very much the feasible region of NSMech configurations, restricting significantly applications for wave energy converter. One alternative approach using pneumatic cylinder springs proved to overcome such a limitation aggregating obvious advantages with fewer elements and bringing more enhancement to the WEC performance.     

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。     

Rocking buoy wave energy converter

A device for converting ocean wave energy into electricity utilizing a rocking buoy and a hydrogen pressure cell is described. The moored buoy contains a pneumatic tube filled with a dense liquid which rocks back and forth as a result of the ocean wave activity. Hydrogen gas, maintained above the dense fluid is alternatively compressed and expanded by the moving fluid. The hydrogen gas communicates with a hydrogen pressure cell and the resulting pressure difference across the cell leads to an electrical voltage and under load, to electrical power.     

Hydrodynamic simulation of a floating wave energy converter by a U-tube rig for power take-off testing

Floating oscillating-bodies constitute an important class of offshore wave energy converters. The testing of their power take-off equipment (PTO) (high-pressure hydraulics, linear electrical generator or other) under realistically simulated sea conditions is usually regarded as a major task. A laboratory rig, consisting of a U-tube enclosing an oscillating column of water driven by a time-varying air-pressure, was devised to simulate the hydrodynamics of an oscillating buoy absorbing energy from sea waves, especially the inertia and the resonant frequency of the oscillating body. The PTO force is applied (by means of a piston) on one of the ends of the U-tube oscillating water column, whereas the other end is subject to a controlled time-varying air pressure. This is found to provide a reasonably realistic way of testing the PTO system (including its control) at an adequate scale (say about 1:5 to 1:4), which would avoid the use of a much more expensive experimental facility (very large wave tank) or testing in real wind-generated sea-waves. The matching conditions that the U-tube geometry and the driving time-varying air pressure must meet to ensure an adequate simulation are derived. These conditions leave some freedom to the U-tube rig designer and operator, allowing practical and engineering issues to be taken into account.     

波浪作用下铰接式层合浮体的水弹性响应研究

在工程设计中,通常采用模块化方式制造超大型浮式结构物,将巨大的单体结构分割成多个较小模块,后期通过合适的连接器拼装形成。为了明确多模块超大浮体在波浪作用下的水弹性响应,以两个相邻层合浮体（高刚度面板和低密度芯材）为研究对象,建立波浪作用下铰接层合浮体水弹性响应的高阶势流模型。采用匹配特征函数展开法求解流体运动的速度势,探讨了铰接处弹簧刚度对浮体的反射系数、透射系数、挠度、弯矩和剪力的影响规律。研究结果表明：迎浪侧浮体的存在可以有效降低背浪侧浮体的挠度、弯矩和剪力幅值;与垂直弹簧相比,扭转弹簧刚度的增加可以更加有效抑制铰接层合浮体的水弹性响应;当扭转弹簧刚度大于一定值时,继续增大弹簧刚度对浮体的动力响应不产生影响。     

Declutching control of a wave energy converter

When hydraulic power take off (PTO) is used to convert the mechanical energy of a wave energy converter (WEC) into a more useful form of energy, the PTO force needs to be controlled. Continuous controlled variation of the PTO force can be approximated by a set of discrete values. This can be implemented using either variable displacement pumps or several hydraulic cylinders or several high pressure accumulators with different pressure levels. This pseudo-continuous control could lead to a complex PTO with a lot of components. A simpler way for controlling this hydraulic PTO is declutching control, which consists in switching on and off alternatively the wave energy converter's PTO. This can be achieved practically using a simple by-pass valve. In this paper, the control law of the valve is determined by using the optimal command theory. It is shown that, theoretically when considering a wave activated body type of WEC, declutching control can lead to energy absorption performance at least equivalent to that of pseudo-continuous control. The method is then applied to the case of the SEAREV wave energy converter, and it is shown than declutching control can even lead to a higher energy absorption, both in regular and irregular waves.     

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。