垂直导桩式浮防波堤兼作波浪发电装置的研究

The floating breakwater, which is suitable for protection against waves in the deep water area, has many advantages, such as the lower construction cost, the short duration of installation,the mobility and relocation ability, and the strong water exchange capability. With the ocean development turns towards the deep water, more and more attention has been paid to the floating breakwater. Because the sway and roll of vertical pipe-restrained type floating breakwater are limited,its wave absorbing effect is much better than it does for the mooring chain-restrained type floating breakwater. The oscillating-body wave energy converter device developed from the oscillating water column wave energy converter device.Its energy conversion efficiency is high and construction is easy,but the construction cost of its suppoting structures is much higher. The research proposal,in which the floating breakwater doubles as wave power generation device,is aimed at the key problem in wave energy exploitation - high efficiency and low cost.Up to now,the vertical pipe-restrained type floating breakwater and the oscillating-body wave energy converter device have been studied separately, but never conjunctively.Accoding to the relavance of the two devices,such as the environment conditions, the structural features,and the application functions, a cross-linked study is proposed for the first time, to investigate the feasibility of this new device by means of theoretical analysis,physical model test and numerical simulations.The research results will provide the basic data for the utilization of this new proposal.

浮式防波堤适用于较深水域的的防护，且具有造价低廉、施工方便、不受海床地质条件限制、宜于水体交换等优点，随着海洋开发向深水发展，受到越来越多的关注与青睐；而垂直导桩锚泊式浮防波堤，由于在波浪作用下其横荡和横摇受到限制，因此在浮体完全相同的情况下其消浪效果要优于锚链锚泊式防波堤。海上振荡浮子式波浪发电装置是在振荡水柱式波浪能发电装置的基础上发展起来的，其施工简单，波能转换效率高，但是海上支撑设备的建设费用较昂贵。本项研究所提出的结合浮式防波堤设施建造浮子式波浪发电站的方案正是针对波浪能开发中"高效率、低成本"这一关键性难题所提出来的。迄今为止，垂直导桩锚泊式浮防波堤与振荡浮子式波浪发电装置一直被单独研究，从未产生交叉。根据两者的环境条件、结构特点与应用功能的关联性，本项研究首次提出了将两者交叉结合，通过理论分析、物理模型试验与数值模拟的手段开展研究，进而为该方案的实际应用，提供科学的依据。

限制波浪能商业化运行的障碍之一是其建造成本较高。本课题根据浮子式波能装置和垂直导桩式浮防波堤在结构特点、工作原理和环境条件上的相似性，提出了一种垂直导桩式浮防波堤兼波浪能发电装置联合系统。研究中基于线性势流理论就该联合系统进行了数值分析，结果显示该联合系统在一定的频率范围内同时具有良好的获能效率和消浪性能。项目还就该联合系统进行了物理模型试验研究，采用齿轮-齿条传动机构连接浮箱与能量输出（简称“PTO”）系统，采用磁粉制动器-电流控制器系统作为能量输出系统，采用扭矩功率传感器测量输出功率；研究表明随着PTO阻尼力的增加，联合系统的透射系数呈减小趋势，获能效率呈现先减小后增加趋势；浮体的尺寸对联合系统的性能影响较为明显，在设计时应根据目标海域的波浪条件充分考虑结构的自振频率。根据上述物理模型试验与数值模型分析结果，项目还在计划任务书的内容之外进行了拓展性研究。根据单箱式联合系统的缺点，提出了双箱式结构形式和“月池”型结构形式，并进行了数值分析和试验研究，结果表明双箱式结构具有较高的俘获效率和较好的消浪性能，并且具有较宽的有效频宽；相对于传统的方箱结构，“月池”型结构具有较好的消浪性能。研究中存在的问题是：原计划采用液压发电机作为功率输出系统，但是由于在实验室小比尺模型试验中，液压发电系统的摩擦损失较大而没有成功；采用了传统的磁粉制动器-电流控制器系统作为能量输出系统进行实验。本研究成果为促进波能装置的工程应用，在中等水深海域具有较好的应用前景。有效地解决了波浪能开发中“高效率、低成本”这一关键性难题。