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。     

液压蓄能波浪发电系统电力平稳输出技术研究

对于波浪发电系统而言,一个难以避免的难题就是如何把不稳定的波浪能转换成稳定输出的电能,文章阐述了一套液压蓄能波浪发电系统,该系统将液压传动和蓄能器蓄能巧妙地结合起来,实现电力的稳定输出,并通过实验对其稳定输出电力的能力进行了论证。该系统如果可以被应用到三沙市的群岛上,不仅可以充分利用海洋资源,而且可以加强南海诸岛建设,达到巩固边防造福于民的目的。     

浮式海水淡化装置系留系统水动力分析

文章参考某海水淡化装置的具体参数、工作环境及其系留系统的布缆方式,利用大型海洋水动力分析软件OrcaFlex建立该海洋浮式海水淡化装置系留系统的水动力分析模型,研究该模型的运行过程,结合系留系统以及风、浪和流的联合作用,分析系缆的系泊张力变化情况和水动力,并对该系留系统的设计和施工提出指导性建议和细节性要求。     

筏式波浪能发电装置浮体水动力相互作用与能量俘获研究

基于三维势流理论,建立筏式波浪发电装置多浮体水动力模型。利用AQWA水动力软件研究多浮体水动力相互作用对发电装置浮体单元水动力系数的影响;将能量转换系统等效成刚度-阻尼模型后,对其进行不规则波时域模拟,对比分析方向谱和频率谱波浪模型对波浪发电装置能量吸收的影响。结果表明:浮体之间的水动力相互作用对浮体单元纵荡方向上的附加质量与辐射阻尼系数有明显的影响,对垂荡和纵摇方向上的水动力系数影响较小;不同的波浪模型下,能量俘获功率有着较大的差别,特别是在迎浪状态下。     

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。     

复杂地形下岸式波能装置的水动力学计算

本文从线性势流理论出发,用格林函数法对带前港的岸式波能装置(下简称岸式装置)作三维水动力分析,分析时考虑了岸式装置附近的复杂地形的影响。计算结果表明,复杂地形的影响是相当大的,不可忽略。     

青岛灵山湾筏式养殖魁蚶食物来源的季节变动研究

魁蚶（Anadara broughtonii）是我国北方重要的经济贝类,筏式养殖是其主要的生产方式。2014年5月至2015年1月,测定了不同季节灵山湾筏式养殖魁蚶及其3种潜在食物源（表层颗粒有机物SPOM、底层颗粒有机物BPOM和附着微藻AM）的碳氮稳定同位素（δ13C和δ15N）,结合胃含物分析研究了海区食物源结构的季节变化对魁蚶食物组成的影响。结果显示,魁蚶及其食物源的稳定同位素比值均存在明显的季节差异,魁蚶的δ13C值（-19.6‰~-19.2‰）介于SPOM （-23.3‰~-21.8‰）、BPOM （-22.1‰~-21.2‰）和AM（-17.0‰~-16.0‰）之间,δ15N值范围集中在8.7‰~9.9‰。冬季魁蚶的δ13C值最低,δ15N值则最富集。水体颗粒有机物（主要由浮游植物组成）是魁蚶的主要食物来源（60.0%~77.8%）,以夏季的饵料贡献率最高;海区再悬浮作用使BPOM的贡献率始终维持在较高水平（30.8%~47.1%）;而养殖网笼上的附着微藻也可为魁蚶提供约22.1%~40.0%的食物。研究揭示了筏式养殖魁蚶可以混合滤食颗粒有机物和附着微藻,附着微藻是其重要的食物补充。     

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。     

水下多路液压快速接头的夹头结构分析与优化

深海油气田水下生产系统装备之间的精准连接是国际公认的技术难题,对接一般通过深海连接器完成。弹性夹头是水下连接器的重要组成部分,其性能关系到海洋油气生产系统的安全性和可靠性。弹性夹头的主要作用是在水下机器人的辅助下连接和锁紧连接器的固定端和移动端。采用ABAQUS软件的显式动力学分析模块计算夹头夹紧心轴这一过程中的应力、反作用力状态。三维模型仿真结果表明,锁紧过程中弹性夹头的最大应力不超过430 MPa,小于所选取的材料屈服强度480 MPa。采用正交试验和方差分析的方法研究夹头的长度、夹头与心轴的间隙等几个关键尺寸从而分析影响夹头应力和连接所需推力的最显著因素。对夹头的结构进行优化设计,同时也为夹头心轴结构的设计提供了理论依据。最后,通过试验研究对样机进行测试,测试结果表明,夹紧动作所需的最大推力在700 N以下。     

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。     

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。     

不同浪向下脐带缆与主平台回接过程中的动力学响应

参考文昌油气田的脐带缆截面设计及具体工作环境参数,利用水动力分析软件OrcaFlex建立了文昌缆与主平台回接过程中的动力学响应模型,计算了在不同浪向下脐带缆在与主平台回接过程中的水动力响应。通过水动力分析结果可知:绞车的牵引速度和浪向的改变对脐带缆的牵拉过程有很大影响;脐带缆发生明显弯曲的部位von mises应力也会发生明显变化,但应力仍小于API 2RD的允许应力,可满足工程安全要求。     

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.     

畸形波作用下锚泊方柱系泊张力特性研究

基于物理模型试验,探究畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力差异问题。讨论相对波高、相对周期和畸形波参数α₁对系泊张力的影响。结果显示：畸形波参数α₁和浮体系泊张力显著相关。在α₁=2.0～2.83范围内,畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值可达不规则波作用的1.9倍。在相对波高H_s/d=0.032～0.097范围内,畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值显著大于不规则波的作用结果,但畸形波和不规则波对应的1/3值及平均值几乎一致。就相对周期影响而言,迎浪侧系泊张力最大差别出现在谱峰周期T_p<T_0p范围内。频域方面采用小波分析方法讨论畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力时频谱特征,两种波浪作用下系泊张力时频特征有显著差别。     

液压型潮流能发电系统叶轮最大功率控制

文章为解决水平轴潮流能发电系统在低于设计流速下叶轮能量捕获效率低的问题,运用最大功率跟踪控制理论及叶轮与变量泵传动轴力矩平衡方程,建立了变量泵反力矩参考值模型,设计了间接速度控制的压力反馈加转矩控制系统,通过小范围内调节变量泵排量,实现叶轮最大功率捕获。整个系统的性能在自动化工作室(automation studio)中进行了仿真测试,实验样机也进行了海上试验。仿真测试和海试结果显示,该控制系统工作稳定性好,仿真和海试时叶轮的捕获功率系数分别在0.35和0.33附近波动,相比不加控制,分别增加了约0.03和0.05,提高了叶轮的捕获效率,验证了控制系统的有效性。     

Dynamic analysis of hydrodynamic behavior of a flatfish cage system under wave conditions

This paper presents a simulation model based on the finite element method. The method is used to analyze the motion response and mooring line tension of the flatfish cage system in waves. The cage system consists of top frames, netting, mooring lines, bottom frames, and floats. A series of scaled physical model tests in regular waves are conducted to verify the numerical model. The comparison results show that the simulated and the experimental results agree well under the wave conditions, and the maximum pitch of the bottom frame with two orientations is about 12o. The motion process of the whole cage system in the wave can be described with the computer visualized technology. Then, the mooring line tensions and the motion of the bottom frame with three kinds of weight are calculated under different wave conditions. According to the numerical results, the differences in mooring line tensions of flatfish cages with three weight modes are indistinct. The maximum pitch of the bottom frame decreases with the increase of the bottom weight.     

多点液压式波浪能海水淡化系统建模与仿真

为缓解淡水资源短缺及化石能源过度使用问题,提出多点液压式波浪能海水淡化系统,该系统主要由采能装置、液压传递系统与反渗透膜海水淡化设备组成。系统的采能装置采用振荡浮子式,可将波浪能转换为浮子振荡从而被液压系统吸收达到采集波浪能的目的。为了提高液压式波浪能海水淡化系统的采能效率及淡水率,利用AMEsim软件对液压传递系统进行建模与仿真,分析了蓄能器、浮子个数及波高对液压传递系统输出响应的影响。结果表明:蓄能器能够使液压马达的输出响应更加稳定;当浮子的数量增加时,液压系统达到稳定的运行状态所需的时间更短,从而有利于提高系统的效率;波高在2 m左右时,本系统的产水量达到最大。     

横轴半潜式潮流能发电装置设计与试验研究

为了促进深远海养殖装备朝智能化方向发展,解决电能供给困难的问题,克服抗风浪网箱受波流耦合作用对太阳能和风能利用的局限性的问题,针对养殖区域的低流速海域,提出了一种适用于深远海可升降网箱的横轴半潜式潮流能发电装置,建立了Savonius型水轮机叶片受力数学模型,分析了叶轮中心与水面的距离对水轮机捕能效率的影响,利用Fluent软件数值模拟了导流增速浮体的速度场情况,设计了发电装置整体结构及锚泊系统,搭建了发电装置试验模型,开展了物理模型试验,测试了不同水流速度情况下与叶轮相对离水距有关的各参数变化情况,并对试验数据进行分析。试验结果表明,在不同的水流流速下,随着离水距的不断增加,捕获功率呈先增加后减小的趋势,当叶轮中心高出水面1/4个叶轮直径时,叶轮的输出功率最大。     

Performance investigation of a two-raft-type wave energy converter with hydraulic power take-off unit

Raft-type wave energy converter (WEC) is a multi-mode wave energy conversion device, using the relative pitch motion to drive its hydraulic power take-off (PTO) units for capturing energy from the ocean waves. The hydraulic PTO unit as its energy conversion module plays a significant role in storing large qualities of energy and making the output power smooth. However, most of the previous investigations on the raft-type WECs treat the hydraulic PTO unit as a linear PTO unit and do not consider the dynamics of the hydraulic circuit and components in their investigations. This paper is related to a two-raft-type WEC consisting of two hinged rafts and a hydraulic PTO unit. The aim of this paper is to make an understanding of the dynamics of the hydraulic PTO unit and how these affect the performance of the two-raft-type WEC. Therefore, a combined hydrodynamic and hydraulic PTO unit model is proposed to investigate and optimize the performance of the two-raft-type WEC; and based on the simulation of the combined model, the relationships between the optimal power capture ability, the optimal magnitude of the hydraulic PTO force and the wave states are numerically revealed. Results show that an approximately square wave type hydraulic PTO force is produced by the hydraulic PTO unit, which causes the performance of the two-raft-type WEC not to be sinusoidal and the energy capturing manner different from that of the device using a linear PTO unit; moreover, there is an optimal magnitude of the hydraulic PTO force for obtaining an optimal power capture ability, which can be achieved by adjusting the parameters of the hydraulic PTO unit; in regular waves, the optimal power capture ability as well as the optimal magnitude of the hydraulic PTO force normalized by the wave height presents little relationship with the wave height, mainly depends on the wave period; in irregular waves, the trends of the optimal power capture ability and the normalized optimal magnitude of the hydraulic PTO force against the peak wave periods at different significant wave heights are generally identical and show a good correlation. All means that the hydraulic PTO unit of the two-raft-type WEC can be tuned to the wave states, and these would provide a valuable guidance for the optimal design of its hydraulic PTO unit.