带铰接斜滑杆的振荡浮子式波浪能装置研究

A kind of Oscillating body wave energy converter(WEC) with a hinged slant-bar includes four parts, an oscillating buoy, a slant-bar, an underwater appendage(with an universal hinge),a power take-off system(PTO). The WEC possesses following advantages, such as unidirectional wave making, automatic reponse to the wave, small sea area,preventing cable ringing,simple structure, easy to drag, easy to drop, easy to anchor.By the way, there is many characteristics of the WEC, high reliability, high efficiency and low cost..This project adopts the d Alembert principle in analytic mechanics to create mechanical model and motion mathematical model of the wave energy capture system(consisted with an oscillating buoy, a slant-bar,an universal hinge) of the WEC. obtained Through numerical simulation, the WEC obtains movement performance, wave force and energy conversion efficiency of the wave energy capture system in different load (or hydraulic damping). According to the simulation results,amending results of theoretical analysis, optimization of shapes and structures of the oscillating buoy, the slant-bar,the universal hinge,and plus damping,all above are aim to gain the highest total conversion efficiency the best movement performance, the most optimal designing scheme. Theoretical analysis and numerical simulation results are verified and amended through modle experiments and the PTO tests.At last, an optimal designing scheme is achieved by optimization design. .This project is conducive to develop a WEC with China’s own intellectual property rights, fitness for China’s sea condition, and of great value to applications..

带有铰接斜滑杆的振荡浮子式波浪能装置由浮子、斜滑杆、水下附体（带有万向铰）、液压发电系统组成。装置具有单向造波、自动对浪、占海面积小、防电缆缠绕、结构简单、易于拖行、易于投放、易于锚固等优点，以及可靠性高、效率高、成本低的特点。.本项目采用分析力学中的达朗伯原理建立装置的波浪能俘获系统（由浮子、斜滑杆、万向铰组成)的力学模型及运动数学模型；通过数值模拟获得装置在不同的负载（液压阻尼）下的运动性能、波浪力和波浪能俘获系统能量转换效率。根据数值模拟结果，修正理论分析的结果，优化浮子、斜滑杆、水下附体三者的外形及结构，优化外加阻尼，使得装置运动性能最佳、总转换效率最大、设计方案最优；通过模型试验和液压发电系统试验验证及修正理论分析及数值模拟结果；最后通过优化设计获得最优的设计方案。.本项目有利于发展具有我国自主知识产权的、适合我国海况、具有实用价值的波浪能装置。

针对我国波浪能能资源流密度较低、季节性强等特点，研发高效率、高可靠性的波浪能装置在发展我国波浪能利用发电技术时尤为重要。基于该指导思想，本项目研发了一种带铰接斜滑杆的振荡浮子式波浪能装置，从波浪能的摄取，装置的水动力响应，能量转换系统的特性等方面展开研究，分析了装置的运动机理，进行了浮子外形的优化、斜滑杆倾角优化、外部阻尼优化、能量转换系统负载匹配等方面的研究。根据线性波浪理论，确定浮子外形曲线和质量分布方程、浮子多自由度运动的微振荡方程、各机构在约束下的拉格朗日运动方程，建立波浪能俘获系统在斜滑杆约束下浮子的数学模型及装置的动力模型，通过自编计算程序求解。根据振动特性对装置波浪能俘获系统进行优化，采用降低质量、增加弹性系数的方法减小浮子运动与波浪的相位差，实现了波能俘获效率的提高。通过水动力学物模试验进行对比，证明低惯性波能转换装置较普通惯性波能装置，水动力学响应明显优良，波浪能俘获效率大幅增加，且对波浪的适应性也增强。另外，物模试验与理论计算结果，在装置的水动力学响应与数值模拟中的响应，与俘获宽度比-周期的变化趋势，两方面均显示出较好的一致性，验证了理论分析计算的准确性，设计方案的可靠性。采用液压自治控制系统及多级液压负载，实现了装置可根据输入的波浪能功率自动进行最佳负载的动态匹配。通过样机试验进行测试，对获得的大量试验数据统计分析后得出结论：装置实行了多级负载动态匹配后，能量转换系统在液压自治控制系统的自动控制管理下不仅将不稳定的波浪能转化为相对稳定的电能，而且实现能量转换效率的最大化。.本项目研发的一种带铰接斜滑杆的振荡浮子式波浪能装置具有完全知识产权，具有结构简单、可靠性高、自动对浪、易于维护等特点，可广泛应用于多种海域，在低成本、高效、安全利用海洋绿色能源技术上迈出了重要一步。本项已发表学术期刊论文15篇（SCI/EI检索7篇），申请发明专利3项，其中授权1项, 专著1本，获奖2项，自编水动力学计算程序2套，研建模型2套。培养硕士研究生3名。