升沉型振盪浮子波能裝置能量轉換性能研究與最佳化

《升沉型振盪浮子波能裝置能量轉換性能研究與最佳化》是依託中國海洋大學，由史宏達擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：升沉型振盪浮子波能裝置能量轉換性能研究與最佳化
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：史宏達
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

海洋資源的開發利用推動了海上儀器設備的深海化與大型化，並對其電力支持提出了更高的要求。利用振盪浮子為代表的第三代機械液壓型波能裝置可實現海電海用、就地取電的創新性套用。早期傳統研究由於過多簡化假設導致無法準確反映裝置的運動特徵與能量轉換規律，難以為裝置設計奠定有效的理論基礎。本項目以深海大型儀器設備供電的工程研發訴求為出發點，以升沉型振盪浮子波能裝置為研究對象，通過水工物理模型試驗，考察不同約束條件下振盪浮子的水動力回響特徵與能量轉換規律，考察並遴選出影響裝置工作性能的關鍵參量。分別以基於勢函式模型與基於RANS方程的CFD 軟體為基礎，通過二次開發，構建振盪浮子裝置三維數值模擬計算模型，以波浪與裝置強非線性耦合作用數值實現為關鍵技術，有效拓展研究範圍與內容，分析裝置動力回響特徵，揭示裝置能量轉換機理，構建資料庫最佳化設計軟體，為實用化開發升沉型振盪浮子波能供電裝置奠定堅實的理論基礎。

結題摘要

利用振盪浮子作為發電裝置符合我國沿海地區的波浪能分布特徵，且其結構型式簡單，便於加工製造與海上投放，具有較好的套用前景。該類裝置研發的主要科學問題是波浪與浮子的相互作用、最優能量捕獲的估算、錨固安全及後方液壓系統的最佳化等。本項目針對上述問題開展了理論分析、模型試驗、數值模擬等研究工作，得到了規律性結論。 項目首先基於裝置捕獲能量的原理，構建了線性負載作用下的數學模型，從理論上分析了模型的水動力性能，導出了裝置的最高功率捕獲及最優負載估算表達式。以此為基礎，項目分別搭建固定式及漂浮式裝置性能測試平台，開展了捕能機構水動力性能試驗及能量轉換機理試驗，討論了波浪要素、捕能機構形狀、傳動與轉換方式、錨固方法等因素對裝置工作性能的影響，得到了裝置捕能機構及錨固系統的最佳化型式，確定了液壓式能量轉換系統的優選方案。基於試驗結果，項目利用fluent、FLOW-3D等水動力軟體，通過外接程式編寫用戶自定義函式，構建了用於描述浮子運動的數值水槽，探究了裝置水動力及能量轉換性能；採用AQWA軟體構建裝置主體結構及錨固系統模型，結合MATLAB計算編程設計，研發了裝置運動回響模擬平台與最佳化設計軟體，實現浮子及潛浮體尺寸、錨鏈數量等參數的自動優選計算。項目結合青島齋堂島海域波浪條件，最佳化了工程樣機的結構設計及液壓控制策略方案，確定了捕能機構選型及陣列布置型式，完成了錨固系統設計。 本項目共發表高水平論文18篇，其中SCI收錄論文6篇，EI收錄論文3篇，中文核心5篇；授權發明專利2項，實用新型專利1項；授權軟體著作權1項。項目取得了預期的原創性結果，完成了全部考核指標要求。 本項目研究成果直接服務於中國海洋大學自主研發的“10kW組合型振盪浮子波能發電裝置”、“100kW組合型振盪浮子波能發電裝置”及“波浪能網箱綜合發電平台”的設計與最佳化，為升沉型波能發電裝置的實用化研發提供了參照，具有較高理論與工程實用價值。