一种新概念波浪能转换装置性能的理论和试验研究

A new conceptual wave energy conversion device is proposed. An in-depth investigation into the performance of this device is conducted by using the combined method of theoretical analysis, numerical simulation and experimental study. Based on the N-S equations, motion equations of multi-structures, equations for power take-off (PTO) system and dynamic equation of mooring system, a nonlinear dynamic model for coupling fluid-structure-PTO-mooring system is established. Based on this model an optimization theory for the wave energy conversion system with multi-structures is developed. The theoretical and experimental study on the performance of wave energy conversion system and the optimization technology is carried out. The effect of the proposed added-mass oscillator efficiency multiplication, pendulum plate enhancing efficiency and extending wave period response width techniques is evaluated. Under complex ocean conditions the wave energy conversion mechanism and survival ability are studied to reveal a way how to increase the efficiency. We have full intellectual property rights for the proposed device. The theory developed, technology innovated and original results obtained for the proposed new wave energy conversion device, including survivability enhancement and efficiency improvement for a variety of devices with multi structures, has important guiding significance. To promote the industrialization development of wave energy conversion technology, energy saving and emission reduction, and to provide power protection for the construction of the maritime Silk Road has great potential application.

提出了一种新概念波能转换装置，采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，对该装置的工作特性进行深入地研究。基于N-S方程、多结构体运动方程、动力输出系统方程和系泊系统动态方程，对流体-结构-动力输出-系泊系统进行耦合，建方非线性动力学模型，并基于该模型发展多结构体波能转换系统的优化理论，开展波能转换系统动力学模型和优化技术研究以及波能转换系统运行特性的试验研究，评估所提出配重振子效率倍增技术、悬摆板增益技术和频响宽度拓展技术的效果，揭示在复杂海洋条件下波能转换机理和生存能力，并进一步揭示提高系统效率的途径和方法。所提出的新概念装置拥用完全自主的知识产权，所发展的理论与技术创新及获得的原创性成果对于包括所提出的新型波能转换装置在内的各种多结构体装置生存力的增强和效率的提高具有重要的指导意义，从而对促进波浪能技术的产业化发展、节能减排、推动海上丝绸之路建设提供电力保障具有巨大潜在的应用价值

进入二十一世纪以来，我国正着力开发海洋资源、发展海洋经济、维护海洋权益、捍卫海洋领土，所有的这些都迫切需要我们解决沿海、海岛、海上工作平台、深海养殖的电力短缺问题。为了科学、经济地解决好该问题，就必须因地制宜，充分利用取之不尽、用之不竭的海洋能。由于波浪能是海洋能中品位最高、分布最广的可再生清洁能源，如果能高效可靠地利用波浪能进行波力发电，就能有效地解决电力短缺问题，同时还能起到节能减排、发展国民经济、推动海上丝绸之路建设提供电力保障，因而研究一种新型高效可靠的波浪能转换装置具有特别重要的意义。.提出了具有自主知识产权的双俘能原理式波浪能转换系统（国家发明专利）；以反作用力、波面曲率和波面定深作为俘能源，实现了能量俘获提高技术、频响宽度拓展技术；基于粘性流体理论构建了流体-结构-PTO-系泊系统的全耦合非线性动力学数学模型；剖析了PTO系统、动力粘度系数、波流条件对装置性能的影响规律；探索波要素、俘能器物理几何特性和阻尼系统参数对装置的波浪能俘获宽度比影响规律；结合流体-多结构体-阻尼系统耦合的数学模型，优化多俘能源的波浪能转换装置系统；在波流水槽中对该装置样机进行物理试验，揭示PTO系统设置、发电机负载、波浪要素、水流条件和摆板长度对装置俘能效率的影响规律；存在最优发电机负载；水流流速增大不利于波浪能的俘获，摆板的存在则增大波浪能俘获；试验与数值结果比较表明：基于粘性流体理论的全耦合模型用于模拟新型装置的运动特性是正确的；新概念筏摆相结合的波浪能转换装置与传统筏式装置相比，最大俘获宽度比提高了108.6%，频响宽度增大了86.4%；剖析了摆式和筏式装置相互作用机制；揭示了新型装置的波浪能转换机理。.