小型海洋航行器波浪能随体发电技术研究

Small ocean vehicle like AUV, a low cost vehicle, is playing increasingly important roles. The limited battery capacity seriously restricts its energy supply, must be re-charged or replaced, so a support ship or base station is necessary, and severely limits its activity radius and application field. In order to solve the issue of continuous power supply, wave energy aboard harvest technology will be studied. Through installing external swinging wing (hydrofoil) or flexible chamber wave energy capture device, captured wave force will be directed to the interior vibration generator system, greatly increases the applied force, thereby greatly increasing the power generation capability. Applying mechanical vibration theory as the foundation, a multi-degree of freedom dynamics model of wave energy harvest system will be proposed, its frequency response and power generation capability will be studied. Considering the spatial characteristics of ocean waves, the dynamic process of ocean wave interacts with swinging wing or flexible chamber and vehicle body will be studied, by using numerical computation and model test methods, the optimal form and size will be proposed, and resistance characteristics will be studied, to compute its sailing ability. A prototype model system will be fabricated to carry out field test at sea for long duration, and a rich set of sensors will be installed to monitor operation parameters, and transmits these live data back to laboratory continuously, to verify and improve dynamics models and design and computation methods.

AUV等小型海洋航行器是一种低成本的运载工具，发挥着日益重要的作用。有限的电池容量是其能源供应的严重制约，必须到期充电或更换电池，离不开母船或基地的支持，严重限制了其活动半径和应用领域。为解决航行器的持续供电问题，拟研究波浪能随体振动发电技术，就地捕获波浪能供电。通过在航行器上外置摆动水翼或柔性腔体等波浪能捕获装置，将波浪作用力直接传递至内部的振动发电系统，大幅度的增大了作用力，从而大幅度的增大了发电能力。以机械振动理论为基础，建立波浪能发电系统的多自由度动力学模型，研究其频率响应及发电能力。考虑海洋波浪的空间特征，研究波浪与摆动水翼或柔性腔体及航行器的动态作用过程，通过数值计算和模型试验的方法，研究最优构型和尺寸，研究其阻力特性，从而能够计算航行能力。制作原型系统用于长时间的外场海试，布置完善的监测传感器，持续的回发数据到实验室，以验证完善动力学模型和设计计算方法。

自主水下航行器AUV（Autonomous Underwater Vehicle），又称为水下机器人，能够代替人类从事危险的大水深海底作业、或者耗时的常规水下作业。AUV通常携带可充电电池，续航力有限，基于此，AUV作业时必须有支持母船随行，人力物力需求大，运行成本高昂，部署迟缓，恶劣海况下安全风险高。在这种模式下，AUV只能作为母船的延伸，不能独立作业，严重制约了AUV的应用潜力。. 波浪能发电WEC（Wave Energy Convertor）技术是解决这一问题的可行手段，本项目提出了摆翼发电技术方案。利用振动学原理，研究了惯性驱动和直接驱动的WEC动力学模型，计算了最大平均发电功率及相关参数。加装双摆翼、增速传动齿轮箱和发电机，利用摆翼和壳体在波浪作用下的相对转动，实现直驱式波浪能随体发电；研究了利用CFD流固作用技术，模拟波浪条件下摆翼发电过程，分别研究了圆柱壳体\双圆柱壳体、平板摆翼和AUV总体在波浪中的受力和运动响应，计算了其发电能力。提出了利用波浪轨圆运动特性，提高发电能力的A型、T型总体布局和W型摆翼构型；研究了设计与组装制造技术; 设计了无水实验台架和自动测试系统，能灵活的模拟3路波浪作用力，自动测量记录力学和电参数；开发了考虑能量产销和节能使用的AUV自主控制系统。. 通过本项目开展的波浪能随体发电技术研究，为AUV提供了不竭的能量来源，理论上具备无限续航力，解决AUV等水下装备的能量供应难题。由于能够自给供电，AUV可以终生在外执行任务，无需回收，摆脱了母船延伸的附属地位，实现真正独立的自主作业，大幅度降低运行的人力、物力和财力负担，具有更加广阔的应用前景。