混合型波浪能转换装置及其能量输出系统研究

摘要

获得长时间、持续、多维度的海洋环境数据是认识、开发、利用和保护海洋的基础，水下无线传感器网络是实现海洋数据获取的重要手段之一。水下无线传感器网络节点是水下传感器网络的基本组成单元，起着数据采集、数据存储、声学通讯和组网等诸多作用。本文对所设计的采用蓄电池供能的水下传感器网络节点进行了海试，针对实验中节点所体现的不足之处，提出了一种基于混合型波浪能发电装置供能的能源替代方案，以期实现节点能够在水下长期连续工作和数据实时传递的功能。
　　本文首先介绍了海试的基本情况，并对目标海域流场进行了测量，海试结果表明设计方案和流场反演方法是可行的;为了进一步优化节点的功能，提出了基于波浪能供能的能源替代方案，该能源替代方案一方面通过水面浮体在波浪下的运动为节点提供电能，另一方面处于水面的浮体能够与卫星通讯，从而将水下节点获取的数据实时传递给岸基。
　　然后在线性阻尼条件下，对装置发电机理和实现最佳能量俘获时所应满足的条件进行了研究，结果表明装置在满足频率匹配和阻尼匹配时能够达到最佳能量俘获状态;进一步地通过有限元分析的方法计算了装置浮体本体的固有频率和各阶模态振型，结果表明通过改变装置物理参数能够提高能量的俘获效率，但效果并不理想，要想完全满足频率匹配则装置的尺寸将变得十分巨大，在工程实现上并不现实，通过研究能量输出系统阻尼来提高效率将是可行性最强的措施之一。
　　进一步地，通过数值计算的方法重点研究了混合型波浪能转换装置的液压式能量输出系统的性能，并对重要元件蓄能器的参数进行了优化。结果表明实际的液压式能量输出系统阻尼是一个非线性的变化量，同时液压式能量输出系统表现出良好的稳压、削峰填谷的性能;蓄能器的容积、预充压力、串并联等参数对液压式能量输出系统性能及输出功率都有着重要的影响。
　　最后提出了一种基于部分液压缸旁通的变阻尼控制策略，并用数值模拟的方法对其在低海况和周期内两种工况下的控制效果进行了验证。结果表明，采用部分液压缸旁通的变阻尼控制策略，对增强装置的海况适应性、提高能量俘获功率是有用的。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 课题背景

1．2 水下传感器网络节点能源替代技术研究进展

1．3 波浪能发电技术研究进展

1．3．1 波浪能转换技术研究进展

1．3．2 能量输出系统研究现状

1．4 研究目的及意义

1．5 主要研究内容

1．6 文章架构

2．混合型波浪能转换装置物理模型与动力学模型

2．1 采用波浪能供电的节点能源替代方案

2．1．1 节点海上试验

2．1．2 海试结果与问题提出

2．1．3 基于混合型波浪能转换装置的能源替代方案

2．2 混合型波浪能转换装置物理模型

2．2．1 混合型波浪能转换装置的组成

2．2．2 混合型波浪能转换装置的工作原理

2．2．3 混合型波浪能转换装置的特点

2．3 浮体本体往复运动的动力学分析

2．3．1 概述

2．3．2 模型简化

2．3．3 浮体本体往复运动的动力学方程

2．4 鸭头摆的摆动动力学分析

2．4．1 模型简化

2．4．2 鸭头摆的摆动运动方程

2．5 本章小结

3．波浪能发电理论与最佳能量俘获研究

3．1 概述

3．2 波浪力与波浪力的计算

3．2．1 几种波浪理论

3．2．2 微幅波理论

3．2．3 波浪力的计算方法

3．3 浮体本体能量最佳俘获研究

3．3．1 能量最佳俘获研究的意义

3．3．2 浮体往复运动能量最佳俘获求解

3．4 浮体的模态分析

3．4．1 模态分析概述

3．4．2 模态分析概述

3．4．3 计算结果与结果分析

3．4．4 增加压载时的模态分析

3．5 波浪能发电效率提高策略分析

3．6 本章小结

4．液压式能量输出系统设计与建模

4．1 液压式能量输出系统设计

4．1．1 液压系统组成

4．1．2 液压式能量输出系统工作原理

4．1．3 波浪能液压式能量输出系统的特点

4．2 液压式能量输出系统建模

4．2．1 液压元件数学模型

4．2．2 液压系统仿真模型

4．2．3 液压系统仿真分析

4．3 蓄能器对能量输出系统的影响研究

4．3．1 蓄能器尺寸对能量输出系统稳定性的影响

4．3．2 蓄能器预充压力对能量输出系统的影响

4．3．3 多蓄能器并联对能量输出系统的影响

4．4 本章小结

5．一种基于液压缸旁通的变阻尼控制策略

5．1 波浪能发电技术中的变阻尼控制

5．1．1 变阻尼控制的作用

5．1．2 几种变阻尼方法

5．2 一种基于液压缸旁通的变阻尼控制方法

5．2．1 液压缸旁通变阻尼控制的原理

5．2．2 液压缸旁通变阻尼控制策略适用工况

5．3 低海况下液压缸旁通变阻尼控制

5．3．1 低海况下无变阻尼控制时的能量俘获效果

5．3．2 低海况下液压缸旁通变阻尼控制的能量俘获效果

5．4 波浪周期内液压缸旁通变阻尼控制

5．4．1 波浪周期内液压缸旁通的物理实现方式

5．4．2 波浪周期内液压缸旁通变阻尼控制的能量俘获效果

5．5 本章小结

6．总结与展望

6．1 研究总结

6．1．1 本文主要完成的工作

6．1．2 主要结论

6．2 展望

参考文献

作者简历