面向海洋平台减振的波浪能转换装置阴影效应增强机理研究

The concept of integrating ocean platforms with wave energy converters based on the shadow effect can effectively reduce the vibration of ocean platforms and the construction cost of wave energy converters. In view of the fact that the current shadow intensity of wave energy converters is low, the vibration reduction of ocean platforms is not obvious. This project aims at enhancing the shadow effect by improving the wave energy absorption efficiency of individual wave energy converters and optimizing the layout of wave energy converter arrays. First, energy absorption methods with the excitation force highly sensitive to wave height and power output methods with stepped rated power are studied to improve the starting performance and overall wave energy absorption efficiency of wave energy converters under low wave height. Second, the control strategy of the switching system formed by the stepped rated power take off system is investigated to meet the optimal control conditions, further improving the local absorption efficiency of the wave energy converter. Finally, the influence principle of the wave energy converter array layout on the shadow effect is studied, and an optimization method for the array layout is established to form the strongest shaded area that fits the ocean platform. The research of this project is of great significance for promoting marine development and wave energy utilization.

基于阴影效应的海洋平台与波浪能转换装置的集成方案可以有效减轻海洋平台的振动、降低波浪能转换装置的建设成本。针对目前波浪能转换装置阴影效应强度低造成对海洋平台的减振效果不明显的问题，本项目分别从提升单个波浪能转换装置的波浪能吸收效率和优化波浪能转换装置的阵列布局两个方面来增强阴影效应。首先，研究具有高激励力波高敏感度的能量吸收方法和具有阶梯式额定功率的动力输出方法，以提升装置在低波高情况下的启动性能和波浪能总体吸收效率；其次，探索由具有阶梯式额定功率的动力输出系统形成的开关系统的控制策略，使得系统满足最优控制条件，进一步提升波浪能转换装置的波浪能局部吸收效率；最后，探究波浪能转换装置的阵列布局对阴影效应的影响机理，建立阵列布局的最优化方法以形成适应于海洋平台的最强阴影区。本项目的研究对于推进海洋开发和波浪能利用都具有十分重要的意义。

由波浪引起的海洋平台振动会造成海洋平台的工作性能下降和疲劳寿命缩短等问题，成为了制约海洋开发的一个重要因素。本项目面向降低海洋平台在波浪中的振动幅度需求，提出将波浪能发电装置和海洋平台集成的新思路，通过波浪能发电装置将波浪能捕获从而降低海洋平台振动幅度。主要研究成果如下：1）设计了一种具有高能量捕获效率高功率输出稳定性的能量转换系统，提出了一种基于弹簧和飞轮复合储能的能量转换系统构型，分析了该能量转换系统的工作原理，获得了能量转换系统参数在规则波中实现高能量捕获效率的优化方法，明晰了能量转换系统核心部件储能弹簧的结构设计方法，验证了能量转换系统在实际不规则波中平滑输出功率的效果。2）优化了波浪能发电装置的控制策略。采用频域复共轭控制策略以提升波浪能发电装置的能量捕获效率，分析了波浪能发电装置的能量捕获效率与控制参数的映射关系及优化方法，由于浮体参数与控制参数之间互相耦合，针对最优化控制策略探究了浮体质量和水下形状的影响规律，获得了在实际不规则波中控制策略形成的波浪能发电装置响应特性。3）提出了波浪能发电装置阵列的阴影效应强化方法。针对由多个波浪能发电装置组成的阵列，建立了计算流场散射波强度分布的边界元计算模型，解析了影响阵列能量捕获效率和阴影区分布规律的主要影响因素，通过改变浮体的间隔距离获得了阵列迎波面和背波面散射波场中条纹和波幅衰减区域的位置，揭示了入射波浪周期对散射波场的影响规律，提出了具有强阴影效应的波浪能发电装置阵列结构与适宜波况参数选择方法。本项目的研究对促进我国海洋经济开发具有重要价值。