一种新概念波力装置多自由度转换机理研究

The ocean wave energy conversion technology of high reliability, high efficiency, low cost of construction, low maintenance cost and environmental friendly is the goal of the people. The backward bent duct buoy(BBDB) technology, which uses air as working medium, has the advantages of simple structure, small volume, low construction cost, high reliability, easy transportation and launching, environmentally friendly, easy maintenance and little impact of sea biofouling. The BBDB technology takes the use of the motions of heave, surge and pitch of the device under the action of waves, so the capture width ratio is higher. The slack moorings make the anchoring system low cost. The Nodding Duck technology due to its special shape presents high capture width ratio. By combined the BBDB and the Nodding Duck design ideas, a new idea of wave energy utilization put forward. This research is based on small amplitude wave theory and boundary element method, the hydrodynamic coefficients and wave excitation forces of the new idea device can be obtained then. The Lagrange equation is established to research the vibration and energy conversion problems of the device which presents multi-degree freedom motions. Numerical calculation presents the influence of the shape ,the damping and the form of the mooring system on the capture width ratio and the wave loads. Optimization of work will be carried out.The study can provide theoretical guidance and basic data for the optimization of the structural and mooring system, and the protective measures of the real device. It is conducive to the development of wave energy conversion system which has our own intellectual property right and fits for our sea condition and is cost-effective. The established theoretical system can be applied to the energy conversion and load problems with multi-degree freedom motions of other types of wave energy devices.

高可靠性、高效转换、低成本建造、低维护成本和环境友好波浪能利用技术是人们追求的目标。后弯管技术采用空气作为转换载体而使装置结构简单、可靠性高、造价低、投放低廉、环境友好、维护方便和海生物附着影响小，装置整体摇、荡运动的充分利用，使单位装机功率材料利用率高、锚泊成本低，俘获宽度比较高。点头鸭技术因特殊形状而俘获宽度比高。本课题结合后弯管和点头鸭设计思想提出一种新概念装置。课题基于微幅波理论和边界元方法，研究新概念装置复杂运动的水动力系数和波浪激励力，采用拉格朗日方程研究装置多自由度振荡和能量转换问题，数值和实验研究装置的形状、阻尼及锚泊方案对装置载荷及俘获宽度比的影响并进行优化。该研究为装置的结构设计、锚泊方案设计和性能评估提供理论指导、基础数据，有利于发展具有我国自主知识产权、性价比高、具有国际先进水平的波浪能利用技术，建立的理论体系可推广应用于研究其它装置多自由度能量转换及载荷问题。

波浪能是一种可再生的清洁环境能源，蕴藏量丰富，开发潜力巨大。长期以来，尽管波浪能发电技术种类繁多，但由于海洋环境的恶劣性、不定常性以及对转换机理认识不足，导致该领域举步艰难、代价昂贵，至今未突破成本高、转换效率低、安全性低、维修困难和应用场景有限等诸多困境。正因为提高转换效率难度大，所以我国把装置波电转换效率突破18%作为“十三五”计划一个重要考核指标。.振荡水柱技术是波浪能利用技术一个重要分支，其结构简单、可靠性高、可维护性强，有固定式，也有漂浮式，形式丰富，但长期以来该技术波电转换效率低一直是业界共识。本课题研究的对象是在浮体里设置一个“L”型弯管，通过气室、空气透平和发电机组成的能量转换机械实现波浪能发电，是对传统单浮体后弯管振荡水柱技术形式的极大扩展。研究基于波的绕射聚波特性，以微幅波理论和多维有阻尼振动为基础，建立了能量转换模型，数值和实验研究了装置外形、管道形状、波浪周期、波高、装置质量、锚泊挂点、锚链长度等因素对转换效率的影响。研究发现当装置以纵摇运动占优时，系统的转换效率最高。最后对优化的五边形后弯管和六变形后弯管装置进行了发电试验。测试表明五边形后弯管发电样机电池负载下最高转换效率达到了42%，是我国当时测试到的波电转换效率最高值。一种六边形后弯管发电样机由国家海洋技术中心测试表明在电池负载下波电转换效率平均值最高达到了50.73%，再次刷新了波电转换效率最高值，破了波电转换效率49%的世界纪录，彻底扭转了业界对振荡水柱技术转换效率的错误认识，展示了该技术良好的发展前景。研究深刻认识到单浮体波浪能技术的振荡浮子和振荡水柱能量转换的多重特性。随着空气透平、发电机技术的进一步发展，相信将来不远会突破60%、70%……。通过该课题研究所取得的成果，为解决长期存在的转换效率低、造价高、可靠性低、维护困难的波浪能发电技术奠定了理论和实验基础，为行业的发展指明了方向。