一种适航的单浮体U型管气动式波浪能转换机理研究

The particularity of the marine environment has led to difficult and costly questions of wave energy utilization technology which has not solved because of using expensive, low safety and many limited conditions. Ship-type wave energy technology has the characteristics of controllable safety factors, low cost of ocean engineering, simple maintenance, convenient and flexible disposition and so on, so the efficiency of the technology has become an important issue. Based on the basic characteristics of the ship, the U-typed duct containing sea water is used as the power take-off system to extract energy from the waves. From the optimization of the excitation force, the reduction of the radiation energy loss and the optimization of the active damping, this project will study the hydrodynamic problems of ship-type devices with the U-type duct based on linear potential flow theory. The characteristics of active damping, response and energy conversion efficiency of the device with multi-degree of freedom vibration theory will be carried out. And finally, a set of self-propelled wave energy conversion theory is formed to provide theoretical and technical guidance for the development of wave power with the features of low cost, high efficiency, high reliability, maintainability, environment-friendly, controllable safety factors. The self-propelled wave energy devices can achieve multi-way use of wave energy resources in the whole area.

海洋环境的特殊性导致人类发展波浪能利用技术举步艰难、代价昂贵，至今未突破成本昂贵、安全性低、使用条件限制多等困境，船型结构的波浪能装置具备安全可控、维修简单、使用灵活等特点，因此波浪能量转换特性就变成了一个重要研究课题。本课题基于船的基本特征，在结构物内部设置U型管道，管道内填充海水工质，以水柱、气室和空气透平发电机组形成的气动系统作为动力摄取系统（Power take off）转换波浪能量，从优化波浪激励力、减少辐射波能量损失、优化有功阻尼三个措施出发，采用线性势流理论对该技术的水动力问题进行研究，以多自由度振动理论进行有功阻尼和能量转换特性研究，以管道水体质量变化展开对不同入射波的响应及能量转换特性研究，以便在不同的海况实现高效转换，最终形成一套自航式波浪能转换理论，为研建简单、高效、可靠、安全的自航式波浪能装置提供理论和技术指导，实现定点、流动、全海域高效利用波浪能资源的目的。

尽管海洋波浪能蕴藏量丰富、人类利用波浪能实现发电已有200多年的历史，但由于海洋环境的恶劣性、波浪的不定常性，导致当前波浪能发电技术仍未解决好生存能力、可靠性和转换效率三大问题，商业化前景暗淡。显然，台风的破坏性会使波浪能发电装置可能从“1”变成“0”，血本无归。在振荡水柱、振荡浮子和越浪三大波浪能技术中，振荡水柱技术是领域公认结构最简单、最可靠、研究最深入一种技术，其技术形式丰富，从岸基和类似岸基电站实施的效果看，因造价高和整机转换效率不高而失去推广价值，但有2座岸基电站运行时间接近20年。本课题基于振荡水柱技术，针对现有原位波浪能发电技术所面临的台风破坏问题，研究流动高效波浪能转换理论和技术。.本课题研究的对象是在具有良好流线外形的单浮体里设置一个U型弯管，通过气室、空气透平和发电机组成的气动机械实现波浪能发电，是单浮体振荡水柱技术另一种形式。研究基于波的绕射聚波特性，以微幅波理论和多维有阻尼振动为基础，建立了能量转换模型，数值和实验研究了装置外形、管道形状、波浪周期、波高、装置质量、锚泊挂点、锚链长度等因素对转换效率的影响。研究发现当装置以纵摇运动占优时，系统的转换效率最高。最后对优化的U型管发电模型进行了测试。测试表明：在12V电池负载下，对于独立U型管发电模型，所完成的规则波工况中，最高的波电转换率为38.7%；对于连通U型管发电模型，波电最大转换率为80.6%，刷新了课题组已实现的单浮体后弯管波电转换率最高63.4%这一值，展示了单浮体U型管振荡水柱良好的发展前景。研究深刻认识到单浮体波浪能技术的振荡浮子和振荡水柱能量转换的多重特性。随着空气透平、发电机技术的进一步发展，相信将来不远会突破90%、100%……。通过该课题研究所取得的成果，为解决长期存在的生存能力和转换效率低、造价高、可靠性低、维护困难的波浪能发电技术奠定了理论和实验基础，提振了行业信心。