304 / 2019-09-29 19:09:27

C式波能装置与几类经典波能装置的仿真分析比较

C式波能装置；辐射特性；共振调谐；仿真分析；

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 计算流体力学

摘要：能源作为人类生存和发展的基础，一直以来人们从各种渠道获取能源。随着社会的高速发展，常规的化石能源消耗量大幅度增长，由此带来的能源衰竭问题需要全人类共同去面临和解决。因此，研究如何高效利用清洁能源是当今能源结构转型的关键。在各种清洁能源中，波浪能有着能流密度大、蕴藏量大、分布广泛、易于开发等优良特点，迄今为止有数千种波浪能技术提出，但是尚未实现商业化。其原因主要是发电效率低导致发电成本高，使得各类装置难以实现推广。
基于此，武汉大学蔡元奇教授经过理论分析和计算提出了主动共振C式浮力摆波浪能发电技术（C式技术）。其主要依据是辐射最小机理和波浪能装置与水波调谐（共振）机制。波能装置在波浪驱动下运动时，会同时向外辐射能量，如果辐射能量过大，则能够利用的能量很少从而导致转换效率低。跟据共振理论，装置与波浪中共振时波激励始终对装置做正功，波能装置能够最大程度的捕获波能。系统共振时阻尼比决定了该系统能够从外界激励中捕获能量的多少。系统的辐射阻尼比越小，能够捕获的能量越多，波浪能装置辐射阻尼过大时，装置类似阻尼板难以捕获波浪的能量，导致发电效率低下。另外是C装置的调谐机制，在一个密封舱形成的摆体内，设置一个可上下移动的配重块，形成一个质心调整机构。通过该机构调整摆体的质心，以控制其回复刚度，从而实现自振周期的调整。C装置利用质心调整机构可以调整自身周期与波浪周期一致，使得C装置无论在任何波况下都能与波浪共振、高效捕能。
为了体现C装置的特性，采用Fluent对国内外几种主流波能装置（鹰式、鸭式、牡蛎式）进行仿真分析。考虑到各装置的外形的不同，统一将各装置的迎波深度设为2m，以此来决定各装置的尺寸。对各装置进行自由衰减、强迫振动和响应仿真计算。通过自由衰减计算，得到鸭式的固有频率在5s左右；鹰式的固有频率在3s左右；牡蛎式由于辐射阻尼超过其临界阻尼，得不到其固有频率；C装置能够调节自身质心，其固有频率可调。通过强迫运动仿真计算，强迫运动周期为2~8s，得到了这几种装置在不同周期下的附加质量、附加阻尼、附加阻尼比等固有属性。由于装置体量不同，用无量纲参数附加阻尼比（阻尼比）对装置进行比较分析更加客观。通过分析可以发现现有的波浪能装置辐射都偏大，C装置阻尼比为3~5%，鸭式装置的阻尼比为22%，鹰式装置的阻尼比为32%，牡蛎式装置的阻尼比超过100%。将波高设为0.3m，波浪周期变化范围为2~8s，通过装置在波浪中的响应仿真计算，得到C装置的摆幅最大为60°，鸭式摆幅最大为26°，鹰式摆幅最大为3.4°。大摆幅可以直接驱动发电机进行能量转化，不需要经过液压转换，从而提高了能量转化率。
现有波浪能技术的效率都很低，难以商业化。效率问题成为阻碍波浪能技术发展的瓶颈，是当前研究主要问题。由于缺乏基础研究，该问题研究进展一直很缓慢，而C式技术从机理出发突破了这一瓶颈。通过实验，已经验证了C装置理论的正确性、设计的可行性以及发电效率的高效性。并且C装置的结构简单、易设计建造、可靠性高，制造安装和运行维护成本低。