点吸收式波浪能发电装置姿态特性分析

点吸收式波浪能发电装置是一种最简单的振荡体式波浪能发电装置,但其安装成本高、生存能力较差。本文针对点吸收式波浪能发电装置的姿态稳定性问题,开展了其在波浪作用下的运动姿态和发电功率之间的关系研究。首先介绍了点吸收波浪能发电装置的工作原理;然后,根据我国南海海域的自然资源条件,划定波况范围,利用相似理论在实验室中模拟波浪参数,选定工况,建立模型,设计测量系统,开展物理模型试验;最后,利用试验结果分析了发电装置的最佳发电周期、波高对装置发电功率的影响,装置姿态对发电功率的影响等。本文为点吸收式波浪能发电装置设计及测试提供了参考。

一种点吸收式波浪能装置水动力学研究

提出一种新型点吸收式波浪能装置,该装置采用弹簧回复液压缸作为二级能量转换机构,在波浪作用下装置垂荡做功。对装置受力分析后建立质量-弹簧-阻尼数学模型,运用基于简单格林函数的边界元方法进行水动力学分析和计算,求出波浪激励力和水动力学系数。重点优化外部弹簧系数和外部阻尼系数这两个关键参数;分析与优化是基于外部阻尼力随位移正弦变化的假定,而在实际系统中液压缸排油的背压基本不变,因此用等效阻尼力的概念来对应处理真实装置的外部阻尼力。最后根据完整的理论分析和优化设计结果举例计算。全文完整地给出处理该类问题的方法,优化的结果可有效指导实际装置的设计工作。

点吸收式振荡浮子水动力学影响因素研究

基于势流理论建立浮体的水动力运动方程,并以该运动方程为基础对不同外形参数的浮子进行建模仿真,研究单个振荡浮子在频域下的水动力性能。主要利用水动力分析软件AQWA分析浮子底部形状、直径、吃水和重心位置变化对浮子RAO、波浪激励力、辐射阻尼系数、附加质量等水动力参数的影响,并与最近相关文献的结果进行对比。发现圆柱底浮子的性能较优,且相对浮子半径和阻尼的影响,浮子重心改变对于垂荡运动影响较小,相关计算结果可为浮子结构优化及阵列的分析提供指导。

基于TLP浮式风机的分块垂荡点吸式波浪能装置的实验研究

面对海洋中庞大的波浪能资源,如何对其高效利用是目前仍需解决的一大难题。针对中国南海海域周期短、波高小的海况特点,本文提出一种与张力腿式平台(TLP)相结合的分块垂荡点吸收式波浪能装置模型。通过物理水池试验,测量分析分块浮子的水动力特性和波能捕获效率,同时与传统浮子的性能进行对比,探讨浮子分块后波浪能装置获能的优化效果。结果表明,分块浮子呈现出新的水动力特性,在低海况下装置对短周期波的能量捕获效率得到大幅提升,但在特定浪向角下会显著增大依附平台的纵摇运动,需要进一步优化张紧式系泊系统。

10kW漂浮点吸收直线发电波力装置

点吸收式是目前世界上发展较多、转换效率较高的一种波浪能利用技术,介绍我国自主研发的一台10 kW漂浮点吸收波浪能直线发电装置。该装置主要由4 m直径蝶形振荡浮子、6 m直径水下阻尼板、1 t重直线发电机组成,整个装置漂浮在海面上,是一个钢结构体。装置外形为煤油灯形,采用共振聚波和阻尼匹配技术提高装置的转换效率,有效发电时间不受来波方向和潮位的影响,针对构成装置的不同材料采用不同的防腐技术提高装置的整体抗海水腐蚀能力,采用下潜方式躲避台风打击,采用蓄能技术提高锚泊系统抗走锚和断链能力。直线发电机是一个圆筒型结构体,具有较高的转换效率和防海水腐蚀能力。发电装置进行了实海况试验,为后续的研究工作提供了相关经验。

浮体绳轮波浪发电效率的研究

根据线性深水波理论,采用纯阻性负载,以圆柱型浮体为例,对浮体的垂荡运动进行水动力学分析,提出直驱式浮体绳轮波浪发电效率的理论模型,基于该模型构建浮体绳轮波浪发电原理机及其测试平台并对原理机采集波浪能的性能曲线及效率负载曲线进行测试,测试结果证明浮体绳轮波浪发电技术的可行性及其效率模型的有效性。

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。

基于主频预估的波浪发电系统自适应滑模控制

为提高波浪发电装置的输出功率,提出基于主频预估的自适应滑模控制方案。通过分析点吸收式直线波浪发电系统和海浪高度场,搭建系统仿真模型。应用无迹卡尔曼滤波算法,预估波浪激励力主频频率,进而利用功率优化模块寻求最优负载。为保证系统跟踪性能,在分数阶滑模控制器中引入具有扰动补偿的自适应控制律,动态估计系统扰动,减少滑模切换增益,利用李氏稳定判据验证系统稳定性。仿真结果表明,所提控制方案可有效改善跟踪效果,提高装置输出功率,系统鲁棒性增强。