阵列摆式波浪发电装置的性能研究

Pendulum wave energy converter is considered as one of the most effective wave energy absorbers with the research hotspots mainly focus on the conversion efficiency and optimal control of a single wave energy converter. However, it is a trend of the converters to be deployed in array forms for engineering and practical application, so the research on the hydrodynamic characteristics of the converter elements come up to be a significant topic. Array deployed bottom-hinged pendulum wave energy converters will be investigated from the point of view numerical simulation and model experiments respectively in the present project. Mathematical model of the array deployed pendulum wave energy converters will be constructed and solved by considering the viscous damping effect of waves on the pendulor. Furthermore, experimental studies will be carried out for validation and optimization. And then similarity transformation and prediction will also be conducted subsequently for practical sea states. The aim is to figure out the effects of the device geometry, draft, water depth, array layout, device spacing, extra damping, wave environment and some others on the performance of the array deployed pendulum wave energy converters. In addition, special investigation will be given on the key factors that affect the expansion of energy absorption frequency domain for purpose of continuous, independent and stable energy output. Finally, theoretical and practical basis will be given for engineering and scale application.

摆式波浪发电装置是一种公认的高效波浪能吸收模式，目前研究热点多集中在单个装置的波能转换效率和优化控制上。然而，多个波浪发电装置的阵列布置是实现其工程、实用化的发展趋势和必然要求。因此对阵列摆式波浪发电装置的性能及其装置单元之间相互作用的研究具有重要意义。本项目拟从数值分析和模型实验角度研究多个阵列布置底部铰接摆式波浪发电装置的性能。考虑了波浪对摆式波浪发电装置粘性阻尼的影响，建立包含粘性阻尼在内的阵列摆式波浪发电装置运动响应的数学模型并求解，开展实验验证及优化，并对实海况进行相似转换和预测。分析装置几何尺寸、吃水深度、布置形式、布置间距、负载阻尼及波浪参数等对装置单元的水动力性能、功率输出频域响应宽度的影响。研究可以扩大阵列布置波能捕获频域响应宽度的影响因素，以实现装置连续、独立、稳定的功率输出，为布置更多装置时功率输出的预测和布置形式、布置间距的选择提供理论和实验依据。

当前能源危机和环境污染的现状是人们面临的痛点，该课题通过对海洋波浪能的开发利用技术进行研究，为能源的获取探索多样化的渠道。在国家自然科学基金的支持下，该项目主要开展了如下几点内容的研究并取得了若干成果：.1、针对大规模摆式波浪发电装置阵列线形布置的形式，利用模型的对称性特点开展了特征函数展开法的理论求解，分析了规则正向入射波浪和斜向入射波浪情况下装置的水动力特性；计算了装置在不同间距宽度比条件下的运动响应、能量转换效率、波浪能量反射、透射分数等参数变化；将理论计算结果同已有文献其他方法的结果进行比较研究，结果表明我们的计算方法简单有效，在相同计算机配置情况下，我们的方法计算时间较短，所得结果经比较和其他文献吻合度较好。在优化的装置间距和负载阻尼情况下，装置的波能转换效率可以达到27%。.2、在装置运动方程中考虑了非线性粘性阻尼的影响，参考船舶横摇理论给出了粘性阻尼的计算公式；并将考虑粘性阻尼的计算结果同实验结果比较，吻合较好，表明给出的粘性阻尼公式比较适合于该类摆式波浪能转换装置的性能计算。在共振周期附近，如若不考虑粘性阻尼的影响，理论计算结果会比实验结果高30%左右。.3、在波浪水槽中开展了摆式波浪发电装置的物理模型实验；结合摆式装置的水动力特点，对压载控制和负载控制的优化效果及可操作性能进行了研究；并从工程角度研究了装置不同能量转换阶段的效率，给出了电阻负载阻尼和动力负载阻尼的函数关系。.该项目的研究结果不仅为波浪发电装置的阵列布置设计提供工程参考，同时还可以将研究成果延伸至海洋防波堤的应用方面，为海洋波浪能发电装置和防波堤结合开辟了新的工程结合。