振荡浮子式波能俘获装置模型试验研究

针对目前波浪能发电装置能量转化效率较低的问题,设计并制作了圆台形浮子作为能量摄取机构,采取物理模型试验方法,对浮子周围的波浪场要素、俘能系统所受水平波浪力和浮子垂向加速度等进行了同步测量,研究了入射波波高、周期和浮子初始吃水深度等因素对俘能系统工作性能的影响.结果表明:浮子系统所受水平波浪力和垂向加速度与入射波波高成正相关,与周期呈负相关;波陡一定时,适当增加浮子初始吃水对浮子系统所受水平波浪力具有正向激励作用,对浮子垂向加速度影响较小;大波高条件下,俘能装置吸收效率随波陡增加而增加;小波高时,装置吸收效率随波陡增加先增加后减小;波陡较大时,浮子入水截面半径的变化对俘能系统吸收效率影响较大;随着波陡减小,浮子浸没深度对俘能系统吸收效率影响程度增强.     

U型振荡水柱波能发电装置波浪力试验研究

U型振荡水柱波能发电装置(U型OWC)最早由意大利学者Boccotti于2002首次提出,到目前为止相关研究只有不到20年的时间。目前关于U型振荡水柱波能发电装置的研究重点还是放在装置的一级、二级能量转换效率上,对结构受力的相关研究较少。本文以U型OWC波能发电装置为研究对象,通过物理模型水工试验的方法对装置受到的波浪力进行研究分析。重点研究了装置前挡板在不同的波浪要素下,不同结构参量的变化对装置受力的影响。     

基于Workbench的双浮体波能捕获装置建模与仿真研究

针对目前各种波浪能发电装置中存在的可靠性低、寿命短、建造维护难等问题,结合我国大部分海域低能流密度的现实,介绍一种以双体船为载体、以陀螺浮子捕获波能的振荡浮子式发电装置。以Workbench为平台,首先完成几何建模及网格划分,然后分别在FLUENT和ANSYS中完成流体分析与结构分析,得出了不同底圆半径的陀螺浮子在水流水平和竖直冲击下的受力和变形,以此为依据判断其对波浪的适应性、功率特性以及效率特性。通过数值模拟研究,遴选影响浮子受力和变形的关键参量,为该类浮子的实用化设计提供依据。仿真结果表明,选择陀螺形浮子作为试验平台波浪能捕获装置是非常合理的。     

月池对振荡浮子式波能装置转换效率的影响

为了提高波能装置转化效率,提出了一种新的基于月池结构的振荡波能装置模型.基于势流理论,建立了振动浮体的一维频域运动方程,根据振动特性,分析了最佳弹簧刚度系数及最优输出阻尼,得到了波能装置最优效率表达式.结合复杂流场边界条件,基于特征函数展开匹配法,研究了各子域的速度势函数表达式,得到了振荡浮子的附加质量、阻尼系数及波浪激励力的表达式.为了得到月池结构对转换效率的作用并消除尖端共振带来的影响,计算了振荡圆盘在有无月池结构下的转换效率比.数值结果表明:在有效频率范围内,月池对振荡浮子获能效率有较大的提升作用;增大月池外部半径或减小内部半径时,装置低频部分有效频率范围增大,而高频部分有效频率范围上下限均发生变动.     

共轴双柱式波能装置水动力及能量转换特性研究

为解决波能转换装置向深水环境推进过程中存在的系统稳定性和能量转换效率问题,借鉴海洋工程中常用的稳性辅助构件形式,在现有的点吸式波能装置基础上引入阻尼板.基于线性微幅波假设,通过特征函数展开和边界匹配的势流半解析方法,结合多自由度振动理论,探索阻尼板的存在及其构型参数变化对获能系统水动力、运动响应及能量转换效率的影响.计算结果表明,阻尼板会降低浮子受到的波浪激励力,阻尼板与浮子间的相互作用水动力大于浮子自身运动受到的水动力,且主要体现在惯性载荷部分;阻尼板会使系统出现两个耦合共振频率,且新出现的共振频率对阻尼板半径更加敏感,在较小共振频率处的最优波能转换效率均随着阻尼板半径和浸没深度增加先增大后减小.研究结果可为深水波浪能利用的工程应用提供理论基础,为后续振荡浮子波浪能发电装置优化提供依据.     

阵列振荡浮子式波能转换装置试验

本文介绍了一种阵列振荡浮子式简易波能转换装置,试验证明了该波能转换装置在没有进行二次转换的情况下,不仅保证了波能采集系统的性能稳定性而且提高了能量转换效率,为振荡浮子式波能转换装置的工程应用提供了有益的参考。     

基于联合仿真的波浪能发电装置PTO系统参数优化研究

PTO(power take-off)系统是波浪能发电装置（wave energy converter, WEC）的重要组成部分。本文针对摇臂式波浪能发电装置,提出一种机械式PTO系统,考虑发电机负载与机械传动的影响,开展摇臂浮子水动力性能与PTO系统的联合仿真研究。分析摇臂浮子在不同行程工作模式下的运动响应,并对联合仿真模型的PTO系统参数进行优化。研究发现：在目标海况下,本项目设计的发电装置,双行程工作的WEC系统功率显著高于单行程工作状态,双行程WEC最佳功率对应的传动比约为72.5;单行程工作的摇臂浮子在低传动比（小于60）下的上升、下降功率近乎相等,随着传动比的增加,上升、下降行程的功率相较于双行程模式都分别递增,且下降行程功率大于上升行程功率。本文采用的联合仿真方法可为不同海况与各类振荡浮子式波能发电装置的设计与选型提供参考。     

波浪能供电航标转换效率的实验研究

采用可再生能源中的波浪能为航标供电,是解决航标供能的有效方式。本文以为航标供电的振荡水柱式波浪能发电装置为研究对象,开展不同工况及负载对振荡水柱式波浪能发电装置转换效率影响的研究,确定最高效率下波浪能装置的各类参数值。通过物理模型试验结果表明,获得的最佳效率点在T=2.5s时,H=104mm,转换效率最大为35%。振荡水柱式波浪能发电装置的能量转换效率受负载影响较小,受波浪要素中波高和周期的影响较大,特别是受波高周期比影响较大。本试验结果对优化振荡水柱式波浪能发电装置的方向提供指导意义,有助于进一步研究。     

含惯性摆发电装置之浮标的水动力分析

文章利用拉格朗日方程推导了含惯性摆波能发电装置之浮标在规则波作用下的七自由度运动方程。为了验证所推导公式的正确性,制作了一个物理模型,并对无负载阻尼工况在水槽中进行了模型试验。借助商业软件AQWA-LINE计算浮标的附加质量、辐射阻尼系数及波浪扰动力。利用文中推导的方程,计算了浮标及摆锤的运动响应,并将理论计算得到的结果与实验结果进行了比较。最后,分析了负载阻尼系数对浮标纵摇运动、摆锤纵摇运动、摆锤相对纵摇运动及波能转换效率的影响。     

滑杆浮子式波浪能装置水动力性能的试验研究

本文针对我国能流密度的特点,设计了一种滑杆振荡浮子式波浪能装置,该装置由浮子、滑杆、底座、能量转换系统组成,结构简单,维护方便,成本低廉。为研究此装置的水动力性能,先后在二维、三维水槽中开展了物模试验。本文介绍了装置的整体设计,检测了不同波高、不同周期的入射波作用下,模型在不同负载下获得的液压能,通过数据分析与统计获得模型的俘获宽度比和负载曲线,并通过与普通浮子物模试验的试验数据比较,得出该滑杆浮子式波浪能装置拥有较高的俘获宽度比并具有良好的水动力学性能的结论,明确了浮子质量、入射波波高、入射波周期和负载是决定装置水动力学性能的关键。     

带波浪补偿功能小艇收放装置仿真综合试验系统研究

一种带波浪补偿功能的小艇收放装置能在4级海况下安全收放小艇.为了对该小艇收放装置进行全面性能试验,设计了一套小艇收放装置的综合试验系统.系统由基于并联机构的三自由度液压试验台、波浪模拟装置等组成,能在工厂内模拟母船和小艇在各级海况下的运动,从而可以在仿真环境下对小艇收放装置的静态和动态性能进行全面的试验,准确获得小艇在真实海况下性能数据,检验小艇收放装置的性能是否符合设计要求.文章详细介绍了仿真试验系统方案设计、液压试验台和波浪模拟装置设计.     

波浪发电系统研究

本文介绍了振动浮子波浪发电试验系统的软件、硬件及数据采集过程。试验结果表明,带有负荷的浮子在波浪中的运动受入射波浪的周期影响较大。     

振荡浮子式波能发电浮堤一体化装置性能研究

文章提出一种带消波水道的方箱型浮式防波堤与振荡浮子式波浪能发电一体化装置概念设计方案,应用ANSYS Fluent软件,通过锚泊线准静态法、多体耦合动力学理论与Newmark-β法对一体化装置进行耦合水动力计算,分析不同阻尼及水道构型参数对集成系统消波与俘能效率的影响.结果 表明,在阻尼选取区间内,线性等效电磁阻尼的俘能效率整体上大于Coulomb等效液压阻尼,增加浮子质量或增加线性阻尼系数,均可提升一体化装置的俘能效率,而对消波性能影响甚微.减小出口宽度,对俘能效率的提升有利并能提升消波性能.当消波水道入口完全浸没于水下时,俘能效率相对更高,消波效果更优.这种新颖的一体化装置构型为后续相关的消波与波浪能转换耦合水动力模型研究提供了思路与借鉴.     

围油栏水动力特性大比尺物理模型试验研究

针对围油栏水动力特性的问题,进行了模型比尺为1:1的规则波、水流与围油栏相互作用的大比尺水槽物理模型试验。利用拉力传感器和Polhemus电磁式位置跟踪系统,对围油栏的受力和不同浮子的运动响应进行了测量,研究了不同环境因素(周期、波高、流速)对围油栏水动力特性的影响。试验结果表明,在波流组合的情况下,围油栏的受力情况对水流流速最为敏感,波高其次,波浪周期对其影响最小。围油栏不同位置的浮子水平运动特征不同,但各个浮子的运动响应幅值均对波高较为敏感,基本同波高成线性关系。同时,水流抑制了各个浮子的水平运动,但使其升沉运动更为剧烈。     

波流联合作用下振荡浮子式波浪发电机动力学分析

参考某型振荡浮子式波浪发电装置的具体参数,结合该装置工作过程,使用水动力分析软件OrcaFlex建立了在不同海况下装置工作过程中的动力学分析简化模型,分析了流、波以及波、流联合作用对振荡浮子式波浪发电装置张力、弯矩沿缆长方向的变化规律以及装置能量转换效率的影响。结论对海洋可再生能源研究有一定的参考价值。     

一种新型多结构复合消波装置的性能试验研究

反射波的抑制是提升波浪水槽试验性能的关键。通过物理模型试验,在不同波长、波高、水深条件下,探究多层变孔径倾斜孔板消波装置对波浪的消波性能影响,并通过耦合添加塑料网状结构、水平板以及三角消波网等装置模块优化其性能。试验结果表明：多层变孔径倾斜孔板消波装置倾斜角度越小,消波装置的消波效果越好。多结构复合体能显著提高多孔倾斜消波装置的消波性能,尤其是三角消波网的引入能够在装置前方有效地使波浪发生聚集破碎。从试验结果可以看出,其明显改善了装置的消波效果,尤其是对长周期波。试验中优化的最终装置形态将反射系数控制在较低的水平。     

基于BP神经网络的分层越浪式波能发电装置越浪量估算研究

在开发利用海洋能的过程中,进行波浪发电装置发电量的预测有助于科学可靠的进行海试决策,在避免资源浪费的同时,进一步提高装置的工作性能。本文针对分层斜坡越浪式波能发电装置建立了一种实时越浪量的估算模型,该模型以实时潮位及波浪数据为条件,基于BP神经网络的方法,利用装置物理模型试验数据进行的网络训练,最终完成装置实时越浪量的数据仿真。该估算模型与分层越浪式波能发电装置的蓄水池工作控制策略相结合,可为最终预测装置样机的发电量提供有力依据。     

球体波能转换装置捕获能量的理论研究

球体波能转换装置在波浪的激励下可以同时在水平和竖直两个模式振荡。基于线性微幅波浪和势流理论,将波浪与球体相互作用简化为球体固定不动,波浪绕过球体和球体在静止流体中运动。线性叠加以后得到总的速度势,计算出球体波能转换装置的平均功率和能量俘获宽度因子的解析表达式。理论研究表明:装置与波浪运动的相位差是影响波能的最重要的参数,最优相位差为-π/2,并且给出了最优相位差调节的理论表达式。另外,对波长、波幅、球体半径、水深和球心距静水面的距离等因素也进行了分析。     

U型振荡水柱式防波堤波浪力试验研究

U型振荡水柱波能装置具有较高的能量转换效率,并且可以和防波堤结构进行复合式开发,在降低工程造价的同时使防波堤功能多元化。而目前大部分研究仅侧重该装置的能量转换性能,对装置的受力及稳定性情况研究较少。文章构建了U型振荡水柱式防波堤的物理模型,研究了不同波浪条件以及装置结构尺寸对装置所受波浪力的影响。研究结果表明,气室前墙和前挡板所受的波浪力将随着入射波波高和周期的增大而增大,并且前挡板结构对波浪有一定的阻碍作用,随着前挡板高度的逐渐增大,气室前墙所受的波浪力逐渐减小。前挡板较高时,随着前墙高度的增大,前挡板的受力逐渐增大。     

U型OWC气室结构参量数值模拟研究

振荡水柱波能发电装置(OWC)是一种在世界上被广泛应用的波浪能发电装置。研究发现U型振荡水柱装置比传统的振荡水柱装置拥有更高的捕能效率。U型振荡水柱装置(U-OWC)由传统的振荡水柱结构以及在来浪方向的U型导管组成,气室通过U型导管与外界波浪场连通。由于U型导管的存在,在相同的波浪条件下相较于传统的振荡水柱装置U型振荡水柱装置拥有更大的特征周期以及压力波动,这使其能更大程度上吸收入射波的能量。U型气室的结构参数,例如相对宽度对装置的性能有很大的影响。本文采用了计算流体力学商用软件Fluent,基于两相流流体体积法(VOF)构建了数值波浪水槽,探究了气室内自由表面变化、气室内压强以及气室顶端的气流速度并以此优化U型气室结构的设计。研究同时还得到了相对宽度对气室捕能性能的影响结果,对进一步的设计与研究提供了参考。