半潜筏式波浪能转化方法及其能量供给侧控制策略研究

High reliability and high efficiency of ocean wave energy conversion technology are hot issues which are urgent to be solved. Point absorption wave energy converters have the advantages of low cost and convenient maintenance. Raft wave energy converters have strong ability to survive because of small relatively angular displacement. The new semi-submersible raft wave energy conversion method has been put forward by simulating marine organism and combining the advantages of point absorption and raft WECs. Based on micro-amplitude wave theory and boundary element method, the multivariant hydrodynamic characteristics of the device can be obtained. The energy transfer progress and operational mechanism can be researched by theoretical mechanics analysis, numerical modelling and prototype experiment. Considering the variable pitch control of wind energy power generation process, the variable torque maximum power tracking control strategy has been proposed further. In the strategy the position of the wave force input pivot point can be adjusted dynamically by perturbation and observation algorithm. The inherent frequency of the device can be changed with the wave natural frequency, so that the semi-submersible raft wave energy converter can maintain resonance with ocean wave, thus elevating capture width ratio. The study can increase response wave frequency bandwidth and energy intake efficiency, optimize wave energy capture method, extend control strategy of WEC. It is very beneficial to promote rapidly development of ocean wave energy conversion technology.

高可靠性和高效摄取是波浪能开发利用技术亟待解决的热点问题。点吸收式波浪能转化装置的材料利用率高、投放安装与维护方便；筏式波浪能转化装置的相对角位移小，生存能力强。本项目融合两者的优点，仿生海洋生物形态，提出了半潜筏式波浪能转化方法。基于微幅波理论和边界元方法，研究装置多自由度运动的水动力特性；利用理论力学分析、数值建模仿真、模型样机实验，研究装置的能量转化传递过程与运行机理。进一步借鉴风力发电的变桨距控制思想，提出了变力矩波浪能最大功率追踪控制策略，利用“扰动法”调节波浪力输入支点位置，在能量供给侧直接动态调整装置的固有频率，实现装置固有频率与波浪自然频率同步变化，提高波浪能俘获宽度比。本项目将同时从外部几何结构特征优化到内部变量控制策略研究两方面着手，提高装置响应波频带宽度和能量摄取效率，对于优化波浪能摄取方法，拓展控制策略研究具有重要意义，有利于推动我国波浪能开发利用技术的快速发展。

波浪能是一种绿色环保、储量丰富、能流密度高的海洋可再生能源，高可靠性和高效摄取是波浪能开发利用技术亟待解决的热点问题。本项目结合点吸收波浪能装置和筏式波浪能装置的特点，提出了一种半潜筏式波浪能摄取新方法，对半潜筏式波浪能装置的水动力特性，能量转换传递机理，控制策略以及实验数据进行了详细分析。项目的主要研究内容包括：（1）针对所提出装置结构，建立了三自由度水动力学仿真模型，对浮子、半潜平台、浮子力臂等机构在不同波况下的运动特性进行了分析，并从理论上阐明了浮子力矩和质量的变化对波浪能摄取效率的影响。（2）建立了能量的液压转换传递模型，对能量传递过程中的中间变量变化规律进行了分析。（3）提出了一种惯性自整理相角控制策略，根据来波频率的变化，可自动调节波浪能装置的固有频率，使得俘能机构与波浪产生共振从而提高波浪能摄取效率。分析得出，在规则波情况下，利用该控制策略可将波浪能俘获宽度比提高7倍以上；在非规则波情况下，控制策略可将波浪能俘获宽度比提高4倍以上。（4）进行了造波水槽实验，在实验中重点验证了浮子的分布与浮子力臂变化对波浪能摄取功率的影响，证明了浮子力臂对波浪能摄取功率的显著影响。（5）设计、开发、制造完成了“集大3号”半潜式波浪能转换平台，在台湾海峡小嶝岛附近进行了实海况海试试验，进行了试验数据分析，证明了半潜筏式波浪能装置的高可靠性。本项目所提出的半潜筏式波浪能转换方法与装置具有完全知识产权，能够有效提高波浪能发电效率和提高运行可靠性，因此具有重要的理论和应用价值。本项目已发表学术期刊论文12篇（SCI检索7篇），已授权国家发明专利2项，国家实用新型专利2项，软件著作权1项；获得国家海洋工程科学技术二等奖1项。项目执行过程中教师职称晋升3名，培养博士研究生1名，硕士研究生5名，研制完成1:20造波水槽样机1套，30kW实海况海试样机1套，项目的研究成果获得了海洋可再生能源领域专家学者的高度认可，较好地完成了研究任务。