振荡扑翼波浪能自适应采集机理与动态转换特性研究

Wave energy harvesting and conversion is a stochastic dynamic process with multiple physical field coupling. Its conversion efficiency and steady output of energy flow are two the key factors. Based on the bird wing motion model and the theory of energy harvesting for flapping foil, a new principle of flapping foil wave energy adaptive harvesting is proposed to solve the problem of highly efficient conversion under the condition of low energy flow density resource.On the basis of simulating the environmental engineering characteristics of the flow field,the dynamic characteristics of fluid-structure coupling between wave and flapping foil are analyzed, the optimal harvesting conditions for the matching of the harvesting system to the wave characteristics are derived, and dynamic model and control law of energy harvesting mechanism are established. The theory of the minimum energy loss fast shifting between the multi-chamber cylinder and hydraulic valve set is studied, the way of eliminating pressure fluctuation in hydraulic circuit and the control strategy of the constant frequency output of the generator are established, the working principle of hydraulic energy conversion system is formed. Based on the bond graph of wave energy adaptive harvesting and conversion system, the state space equation of the multi-energy-domain system is established, the overall system virtual prototype is build，the Laboratory simulation technology of the wave energy harvesting and conversion device is developed. From the point of dynamics and control, the theory of wave energy adaptive harvesting and the principle of energy stable conversion is explored, the modeling, analysis and control theory of multi-body structure and system dynamics in water are formed to lay a solid foundation for the development of wave energy conversion with high efficiency and stability.

波浪能采集与转换是多物理场耦合的随机动力学过程，其转换效率和能量稳定输出是两个关键因素。根据鸟类翅膀结构及其运动模式，基于振荡扑翼能量采集理论，提出振荡扑翼波浪能自适应采集新原理，解决低能流密度资源条件下的高效转换问题。在模拟流场环境工程特征基础上，分析波浪与扑翼的流固耦合特性，推导采集系统与波浪特性匹配的最佳采集条件，建立采集系统获能机构动力学模型及其自适应控制策略。研究多腔油缸与阀组快速换向的最小能量损失理论，建立消除液压回路压力波动方法和发电机恒频输出控制策略，构成液压式能量转换系统工作原理。基于波浪能采集与转换系统的功率键合图，建立系统状态空间模型，搭建整体系统虚拟样机，形成波浪能采集与转换装置实验室仿真技术方法。从动力学和控制角度，探索波浪能自适应采集理论和稳定转换原理，形成水中多体结构与系统动力学的建模、分析与控制理论，为发展波浪能高效稳定转换夯实理论基础。

通过研究振荡扑翼波浪能采集与转换机理，探索多场、多介质、多物理过程耦合机制及其系统动力学理论，多能域系统动态特性匹配与控制理论等科学问题，发展解决低能流密度资源条件下的高效转换新技术与新方法，探索波浪能的生态安全采集基本理论，形成随机波浪激励下水中多体结构与系统动力学的建模、分析与控制基本方法，主要研究内容如下：.（1）结合试验研究海域的波浪观测资料，建立波浪的时域描述方法。根据作用于扑翼的来流状况，建立波浪与扑翼流体耦合作用力计算方法。基于采集机构的基本组成，建立其动力学模型，研究扑翼结构、采集机构和波浪激励等因素对扑翼水动力学影响规律。.（2）根据观测统计资料预测未来波浪状况，建立采集机构的动力学等效方程，研究实现采集机构与波浪频率和相位匹配的最佳采集条件，建立采集机构反馈控制策略和方法，实时调节采集机构与波浪的匹配关系，实现振荡扑翼波浪能自适应采集过程。.（3）基于随机波浪能采集的多腔油缸位置离散工作原理，研究其与阀组快速换挡最小能量损失理论和消除液压回路压力波动控制方法。根据压力回路功率等级和设备额定参数，建立液压马达与发电机的组数动态控制关系；基于发电机功率响应，建立发电机恒频输出的控制策略与方法，实现系统稳定电能输出。.（4）研究波浪能的采集、液压转换和机电转换的系统界面特性，分析子系统的连接方式以及能量传递关系，建立波浪能采集与转换系统动力学模型和系统虚拟样机，搭建试验环境，验证系统组成、功能和性能，确定系统组成。.本项目研制了一种振荡扑翼波浪能发电装置，通过采集机构、液压转换系统和电能变换及储能系统将随机波浪能转换为稳定的电能。基于键合图理论，建立了机械-液压-电子的多能域系统仿真模型，开发了仿振荡扑翼波浪能发电装置试验样机，开展了仿真分析与样机试验对比研究。研究表明：①三、四级海况下发电效率分别为61.5%和66.2%； ②振荡扑翼波浪能发电装置工作原理和参数设计的合理性。