三自由度振荡浮子及机构高效捕获转换波浪能机理研究

Extensive and efficient utilization of ocean wave energy is an important way of sustainable development for human beings. How to improve the wave energy acquisition and conversion efficiency is the scientific issue to promote the practical process of wave energy converter. This project plans to adopt the methods including theoretical study,numerical calculation and experimental verification to reveal the rule that the 3-DOF oscillating body and mechanism capturing and converting wave energy efficiently. The wave characteristics of the typical sea area in China are planned to be investigated in depth, and the main characteristics of wave energy are to be extracted. The 3-DOF wave energy capturing mechanism is to be invented, and the law that the performance parameters of the oscillating body and 3-DOF mechanism affecting the efficiecny is to be revealed to achieve the high efficiency capture and conversion. Finally, the law that the performance parameters of the mechanism-liquid mechanism affecting the conversion efficiency is to be verified by the test.

大规模、高效利用海上波浪能等清洁能源，是人类实现可持续发展的重要途径。如何有效提高波浪能捕获转换的效率，是目前推进波浪能发电装备实用化进程中所面临的科学难题。本项目拟采用理论研究、数值计算和试验验证相结合的方法，揭示三自由度振荡浮子及机构高效捕获转换波浪能的机理。深度调研我国典型海域波浪特性，提取出波浪能主特征；发明三自由度波浪能捕获机构，并揭示三自由度振荡浮子、捕获及转换机构性能参数对效率的影响规律，以实现高效的波浪能捕获转换；最后通过试验，验证机液转换机构性能参数对转换效率的影响规律。本项目的研究成果将为开发高效波浪能发电装备打下科学基础。

本项目针对目前波浪能捕获机构限于单自由度，捕获效率不高的缺点，提出了三自由度波浪能捕获机构，并对直驱式三自由度波浪能捕获装置进行了研究。综合出了三自由度波浪能捕获机构；建立了捕获机构的运动学模型。建立了机构从浪-电能量转化动力学模型，并对典型海域中装置的捕获性能进行了分析。选取了捕获机构的四个关键参数，搭建了动力学数值分析平台，揭示了关键参数对捕获效率的影响规律。建立了负载对捕获效率影响的关系模型，基于随机波况短时预测模型，建立了负载优化选取策略，以典型海域的历史信息为基础，分析了优化策略的性能。为验证理论模型和部分关键参数对捕获性能的影响规律，设计并试制了小比例原理样机，开展了水槽实验。通过实验结果和数值计算结果的对比，验证了装置理论模型和转动中心位置对捕获效率影响规律的准确性。实验结果表明，装置从浪到电的捕获效率最高为28%。本研究为开发实用化的直驱式三自由度波浪能捕获装置提供了重要的科学依据和实验基础。