基于摩擦-电磁复合发电技术的点吸收式波浪能发电装置基础研究

In view of such technical problems as low acquisition efficiency for low-frequency wave energy and insufficient coordination between subsystems in the current point absorption wave energy converter, and the fact that the wave height and wave energy density are restricted in most of China’s coastal waters, and taking into account the advantages of high machine-to-electric conversion efficiency and sound low-frequency output performance in the field of mechanical energy collection of triboelectric-electromagnetic hybrid power generation technology, this project, based on the friction-electromagnetic hybrid power generation technology, intends to design the power take-off subsystem applicable to the direct drive wave energy converter of point absorption, and carry out the synergistic matching optimization design of the floater and e power take-off system given the wave energy capture efficiency of the device under the typical sea conditions in China. The specific researches include: conducting structural design and theoretical analysis of energy output system based on the triboelectric-electromagnetic hybrid power generation technology, and establishing a coupled simulation model with floater; based on computational fluid dynamics method, constructing the high-fidelity co-simulation model integrating numerical wave tank, floater subsystem and power take-off subsystem; studying the coupling relationship between the floater subsystem and the power take-off subsystem so as to match and optimize the key design parameters of the two subsystems, and finally performing the experimental research of the model. This study will have important academic and application value for improving the low-frequency characteristics of wave energy generating devices, as well as accelerating the application and industrialization of wave energy generating devices.

针对当前点吸收式波浪能装置存在的对低频波浪能获取效率较低和各子系统间协同匹配不足等问题，以及我国大部分海域波高小、波浪能流密度小的实际情况，结合摩擦-电磁复合发电技术在机械能收集领域具有的高机-电转换效率和良好低频输出性能等优点，本项目拟基于摩擦-电磁复合发电技术，设计适用于点吸收直驱式波浪能装置的能量转换子系统，并针对我国典型海况，开展浮子和能量转换子系统的协同匹配优化，以提高装置对低频波浪能的俘获效率。研究内容包括：开展基于摩擦-电磁复合发电技术的能量转换子系统的结构设计和理论分析，建立其与浮子的耦合仿真模型；基于计算流体力学方法，构建耦合数值波浪水池、浮子和能量转换子系统的高保真仿真模型；研究浮子和能量转换子系统间的耦合作用关系，匹配优化二者的关键设计参量，并开展模型试验研究。本研究将对改善波浪能发电装置低频特性、加快波浪能发电装置的应用和产业化的步伐具有重要的学术和应用价值。

海洋蕴含着丰富的可再生蓝色能源，然而这些低质量、高熵、无序、低频的能量的高效利用仍面临诸多问题。针对当前点吸收式波浪能装置存在的对低频波浪能获取效率较低和各子系统间协同匹配不足等问题，以及我国大部分海域波高小、波浪能流密度小的实际情况，项目结合摩擦-电磁复合发电技术在机械能收集领域具有的高机-电转换效率和良好低频输出性能等优点，开展了“基于摩擦-电磁复合发电技术的点吸收式波浪能发电装置研究”，以及“基于摩擦起电技术的多方位双稳态波浪能发电装置研究”。前者在频率0.8 Hz和波高12 cm的波浪水池环境中，峰值开路电压可达2300V、短路电流可达50μA，峰值输出能量密度达到了30.7 W/m3，成功驱动10080个LED商业灯。后者通过引入双弹簧-质量系统，不仅可以俘获包括垂荡、涌浪、横摇和纵摇等多方向波浪动势能，还扩大了装置的能量俘获频宽。在波高为15 cm、频率为0.7 Hz的波浪水池环境中，峰值开路电压可达1100 V，峰值短路电流的达到41 μA，峰值输出功率达到了12Mw, 成功驱动1920个LED。另外，基于LTC3588能源管理芯片，开发了针对摩擦发电波浪能俘获装置的能源管理模块。基于上述两套装置，实现了波浪激励下温湿度传感器的自供能原位监测及信息的无线传输。最后，提出了一种针对摩擦波浪能发电装置的多物理场耦合仿真建模方法，实现了从推板造波到摩擦发电机电能输出的全过程、高保真、定量仿真方法，为开展摩发电装置的影响因素分析和结构优化设计，提供了必要的方法和理论支撑。.本项目的研究成果将对推动摩擦纳米发电技术的发展和成熟起到积极促进作用，有望在海洋能发电、海洋原位自供能监测、海洋物联网等方面取得广泛应用。