基于海洋动能的水下系留平台能源技术

由于水下系留平台携带能源有限，严重制约了长时间执行任务的能力。本项目以探索水下系留平台新型能源为主要目的，开展海洋动能发电能源技术研究。围绕拟解决的海洋动能小型高效收集技术、海洋动能稳定发电技术等关键问题，结合国内外关于海洋能发电、电力电子技术等领域的研究新进展，从理论上分析水下系留平台大攻角绕流下的流体动力特性，建立水下系留平台和锚链的耦合运动模型；基于能量守恒原理，给出一种小型高效收集晃动动能的机构方案；建立基于电磁场分析软件的机械动能转换电能的仿真研究平台，揭示水下系留平台随海洋能晃动的频率、幅度与电能转换的关系，开展电能稳定转换控制技术研究；最后研制海洋动能发电系统原理样机，完成海洋动能与电能转换的仿真与试验测试。.通过本项目的研究，将对适用于水下系留平台的海洋动能发电系统总体方案，可有效解决平台探测、通讯等电子系统长时间连续工作的能源问题，具有十分明显的理论意义与工程应用价值。

本项目针对水下系留平台由于携带能源有限，严重制约了长时间执行任务能力的问题，开展海洋动能发电技术在水下系留平台中的应用研究。在研究过程中，考虑到水下系留平台通过锚链来固定漂浮在海水中，在海流作用下时刻处于摇摆晃动状态，为此在直接利用海流动能进行发电基础上，还可利用水下系留平台受海洋能作用的晃动动能进行发电。基于此，本项目提出了两种类型的海洋动能发电系统方案，分别对其动能发电系统运动特性开展了研究，并研制了动能发电装置样机，开展了性能测试分析。取得的主要研究成果如下：.（1）基于水下系留平台受海洋能作用晃动的特点，提出了一种适用于水下系留平台的直驱式海洋动能发电装置方案。在研究过程中，首先根据拉格朗日方程建立了水下系留平台与晃动摆的耦合非线性运动方程，最后根据简化的运动方程采用龙格库塔方法求解分析了影响晃动发电性能的因素，研究了运动幅度、周期、摆长、质量、转动惯量等参数以及不同运动耦合对发电性能的影响。结合研制的直驱式动能发电装置样机，对发电系统进行了试验分析。在理论研究基础上，研制了动能发电装置原理样机，利用六自由度运动平台进行了原理模型试验测试。.（2）直接利用海流动能，提出了一种适用于水下系留平台的垂直轴式海流发电装置方案。在研究过程中，为探索稳定海流中发电装置叶轮的受力特性和功率输出特性，利用滑移网格技术对叶轮流场进行了非定常数值仿真，研究了不同尖速比下叶片截面翼型、叶片弦长、叶轮阻塞度等结构参数对叶轮受力和功率输出特性的影响。计算时基于的是雷诺时均N-S方程，湍流模型采用了重整化群的模型，计算域网格用GAMBIT软件将其划分成静止域和旋转域两部分，并通过滑移网格技术实现了静止域和旋转域的相对转动。在理论研究基础上，研制了海流发电装置原理样机，利用拖曳水槽进行了原理模型试验测试。.（3）通过理论仿真与试验测试，验证了本项目提出发电技术方案，理论研究成果已发表论文23篇（SCI收录8篇、EI收录14篇）、录用论文2篇（SCI刊源1篇、EI刊源1篇），并授权国家发明专利9项、受理国家发明专利25项。本项目取得的研究结果为后续开展工程样机研制提供了一定的理论基础。