漂浮式液压海浪发电系统捕能效率提升机理与关键技术研究

In the face of the increasingly serious energy and environment problems, it has become a global consensus to vigorously develop renewable energy sources. Among these sources, the ocean wave has great potential and is a hot spot of renewable energy utilization in various countries. For wave power generation, efficient and stable conversion of energy is the key and difficult point of research. In this project, the floating hydraulic wave power generation system is the study object. In order to improve the energy capture efficiency of the system, a hydraulic variable-damping wide-frequency-band self-adaptive energy-storage power generation control strategy is proposed. The coupled nonlinear dynamic model of hydraulic wave power generation system will be constructed first, and then the hydrodynamic response of floating body and its motion will be accurately predicted. The hydraulic Power-Take-Off (PTO) variable-damping technology will be the focus of study. The influence of hydraulic PTO parameters on energy capture efficiency will be analyzed, and the self-adaptive variable-damping wide-frequency-band control strategy based on the prediction of floating body motion will be proposed. Modeling and simulation analysis will be carried out to verify the feasibility of the control strategy. Moreover, a semi-physical test platform based on hydrodynamic prediction and hydraulic PTO self-adaptive control will be built to integrate and optimize the system. Finally, a sea trial prototype will be designed and manufactured to monitor the electric power generation in real time. The energy capture efficiency will be calculated to evaluate the performance of the system. This study will improve the energy capture efficiency of floating wave power generation system, promote the efficient and safe utilization of marine renewable energy resource and provide scientific support for the development of new marine renewable energy industries.

为解决日益严重的能源和环境问题，大力发展可再生能源已经成为全球共识。其中，海浪能具有巨大的开发潜力，是各国可再生能源利用的热点。对于海浪发电装置，高效稳定的能量转换技术是研究的重点和难点。本项目以漂浮式液压海浪发电系统为研究对象，以提高系统捕能效率为目标，提出液压变阻尼宽频带自适应蓄能式发电控制策略。首先构建发电系统的多体耦合非线性动力模型，研究浮体水动力响应及精确运动预测；重点研究液压PTO变阻尼高效捕能技术，分析液压PTO参数变化对捕能效率的影响，提出浮体运动预测条件下变阻尼宽频带自适应控制策略，建模和仿真分析验证控制策略可行性；搭建基于浮体水动力预测和液压PTO自适应控制的半物理试验平台，进行系统集成优化；设计制造海试样机，实测系统发电功率，计算捕能效率，评估发电系统性能。本研究将提升波浪能发电系统的捕能效率，促进海洋可再生能源高效安全利用，为培育壮大海洋可再生能源产业提供科技支撑。

发展可再生能源是解决能源危机与环境污染问题的重要解决方案。其中，波浪能具有巨大的开发潜力，但由于波浪随机性及海洋环境恶劣的特点，如何实现波浪能发电装置高效稳定的能量转换是研究的重点和难点。为克服这一共性问题，本项目以漂浮式液压海浪发电系统为研究对象，以提高系统的捕能效率为目标，研究内容包括（1）基于液压变阻尼的漂浮式海浪发电系统宽频能量捕获机制研究：构建了整体的多维多体多物理场的随机波浪-系泊系统-浮体及液压缸-变阻尼自适应蓄能式液压PTO-可变负载发电系统耦合的三维非线性动力模型，并发展了模型求解的数值方法。（2）水动力预报和精确运动模拟预测方法研究：开发了基于N-S方程和浸入式边界方法的三维非线性水动力分析模型，构建了流体-结构-锚泊系统-PTO全耦合的漂浮式波浪能发电系统数值仿真模型；分别在时域与频域分析了水波-波浪能装置相互间的水动力学响应与波浪要素和PTO阻尼对装置特性和能量捕获的影响。（3）液压PTO变阻尼自适应控制及宽频带高效率捕能技术研究：对液压PTO系统数学模型搭建并仿真分析，提出了可提高波浪能发电装置响应频宽和捕获效率的液压自适应变阻尼控制方法，构建了模拟振荡浮子式波浪能发电装置能量输出过程的半物理仿真试验环境。（4）系统集成与效率评估方法研究：将动力模型、运动预报和控制算法集成，量化了捕能效率提升效果。（5）样机海试验证：结合历史数据分析了海试环境特征，研制了海试样机，进一步验证了模型、性能评估方法、效率提升以及控制方法的有效性和可行性。以上述成果为基础,建立了一套完整的从数值模拟与浮体优化到液压PTO设计与控制策略建立，直至系统集成与效率评估的波浪能发电装置全过程设计方法，不仅提高了波浪能发电装置的捕能效率，且具备了波浪能发电装置流程化设计制造的能力。这对于推动波浪能发电相关领域研究和技术的发展，提高我国波浪能资源的开采利用率，推动波浪能发电装置的产业化具有重要的作用和现实意义。