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波浪能是海洋中蕴藏最为丰富的能源之一,开发利用可再生、无污染的波浪能潜力巨大。而目前波浪能发电技术受限的一个主要原因是波浪能转换装置的捕获效率不高。本文以点吸收式波浪能转换装置为研究对象,针对线性点吸收式波浪能转换装置能量捕获效率低、捕获频带窄的技术瓶颈,提出了两种可用于点吸收式波浪能转换装置的磁力双稳态机构。开展规则波和非规则波激励下点吸收式磁力双稳态波浪能转换装置的动力学建模和能量捕获特性研究。数值研究结果表明两种磁力双稳态机构均具有有效提高点吸收式波浪能转换装置的捕获效率、拓宽捕获频带的作用。本文主要研究内容如下:
首先介绍了关于波浪能转换装置的研究背景及国内外研究现状。基于线性波浪理论,建立了规则波和非规则波的数学模型。推导了点吸收式磁力双稳态波浪能转换装置的时域非线性动力学模型。为加快动力学方程求解速度,采用状态空间模型方法替代波浪辐射力的卷积积分项。给出了波浪能转换装置的波浪能捕获性能评价参数。
其次对点吸收式单磁环波浪能转换装置进行能量捕获特性研究。该双稳态机构主要由一对同向充磁的永磁环组成。基于解析方法,推导了单磁环双稳态机构的力学模型。通过对双稳态机构的势能分析,研究了该波浪能装置在不同结构参数下的静力学特征,初步确定了装置的参数设计有效区域。基于数值仿真分析,研究了系统及波浪参数对单磁环双稳态波浪能转换装置的波浪能捕获特性的影响规律。结合相图分析和频谱分析,揭示了双稳态波浪能转换装置提高波浪能捕获效率、拓宽捕获频带的力学机理。
最后针对传统双稳态波浪能转换装置在小幅波浪激励下波浪能捕获效率低的固有缺点,提出了一种新型双磁环双稳态机构。该机构是在单磁环双稳态机构的基础上附加一对异向充磁的永磁环而成。双磁环点吸收式波浪能转换装置的静力学分析结果表明,新型双稳态机构在合适参数下可以同时达到降低系统势垒高度和拓宽平衡点间距的效果。基于数值仿真分析,对比分析不同波浪激励条件下,三种波浪能转换装置(线性波浪能转换装置、单磁环波浪能转换装置、双磁环波浪能转换装置)的能量捕获特性。研究结果表明,新型双稳态波浪能转换装置可有效弥补传统双稳态波浪能转换装置在小幅波浪激励下捕获效率低的缺点,同时保持大幅波浪激励条件下提高效率拓宽频带的优势。
首先介绍了关于波浪能转换装置的研究背景及国内外研究现状。基于线性波浪理论,建立了规则波和非规则波的数学模型。推导了点吸收式磁力双稳态波浪能转换装置的时域非线性动力学模型。为加快动力学方程求解速度,采用状态空间模型方法替代波浪辐射力的卷积积分项。给出了波浪能转换装置的波浪能捕获性能评价参数。
其次对点吸收式单磁环波浪能转换装置进行能量捕获特性研究。该双稳态机构主要由一对同向充磁的永磁环组成。基于解析方法,推导了单磁环双稳态机构的力学模型。通过对双稳态机构的势能分析,研究了该波浪能装置在不同结构参数下的静力学特征,初步确定了装置的参数设计有效区域。基于数值仿真分析,研究了系统及波浪参数对单磁环双稳态波浪能转换装置的波浪能捕获特性的影响规律。结合相图分析和频谱分析,揭示了双稳态波浪能转换装置提高波浪能捕获效率、拓宽捕获频带的力学机理。
最后针对传统双稳态波浪能转换装置在小幅波浪激励下波浪能捕获效率低的固有缺点,提出了一种新型双磁环双稳态机构。该机构是在单磁环双稳态机构的基础上附加一对异向充磁的永磁环而成。双磁环点吸收式波浪能转换装置的静力学分析结果表明,新型双稳态机构在合适参数下可以同时达到降低系统势垒高度和拓宽平衡点间距的效果。基于数值仿真分析,对比分析不同波浪激励条件下,三种波浪能转换装置(线性波浪能转换装置、单磁环波浪能转换装置、双磁环波浪能转换装置)的能量捕获特性。研究结果表明,新型双稳态波浪能转换装置可有效弥补传统双稳态波浪能转换装置在小幅波浪激励下捕获效率低的缺点,同时保持大幅波浪激励条件下提高效率拓宽频带的优势。