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发布于 2026-05-14 / 0 阅读
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【海洋可再生能源专刊】| 振荡浮体式波浪能装置能量特性试验研究

论文导读与观点概要


1. 研究目的

波浪能作为极具潜力的海洋可再生能源,其规模化应用受限于能量俘获特性的不确定性。针对这一痛点,本文旨在通过物理模型试验,深入探究垂荡式单浮体双浮体并排阵列两种构型的波浪能装置在能量转换效率、频带宽度及输出稳定性方面的差异。研究重点分析了动力输出系统(PTO)阻尼力对转换效率的影响,并对比了规则波与南海典型不规则波工况下的系统性能,为波浪能装置的优化设计提供科学依据。

2. 研究方法

本文采用物理模型试验对比分析法

试验平台:在32 m×18 m的波浪水池中进行,基于Froude相似准则确定几何缩尺比为1:50。
模型设计:构建了包含固定架、垂荡浮子及非线性磁力阻尼器(模拟PTO系统)的试验模型。数据通过光学运动捕捉系统和扭矩传感器同步采集。
工况设置:针对南海典型海况设计试验参数。首先通过5个阻尼挡位(0.004~0.020 N·m)确定最佳阻尼;随后在规则波(周期0.7~2.0 s)和不规则波(JONSWAP谱)条件下,对比单、双浮体系统的运动响应(RAO)、发电功率及转换效率。

3. 主要结果

⚙️ 最佳阻尼与效率峰值

最佳阻尼:单浮体与双浮体系统均在阻尼力矩为 0.012 N·m 时达到最优效率。
效率对比:单浮体系统的峰值转换效率达到 38.5%,优于双浮体系统的30.2%。

📊 规则波性能差异

频带特性:单浮体在固有周期(T=1.1 s)处效率最高,性能优势明显;双浮体系统则表现出显著的宽频带特性,有效俘获频带更宽。
长波优势:在长周期波浪(T>1.3 s)条件下,双浮体系统因流体干涉效应,其功率输出显著超越单浮体系统。

📉 不规则波实海况表现

功率输出:在模拟南海典型海况下,单浮体系统的平均发电功率为0.049W,较双浮体系统高出 25.6%
稳定性:双浮体系统展现出卓越的功率输出稳定性。其功率标准差较单浮体降低 41.6%,功率极值仅为单浮体的40.9%,有效抑制了功率波动。

4. 结论

构型权衡:单浮体构型在特定海况下具有更高的能量转换效率峰值和瞬时功率输出能力;而双浮体并排构型虽然峰值效率略低,但能显著拓宽有效俘获频带,并大幅提升功率输出的稳定性。
阻尼优化:PTO阻尼力的优化对提升系统效率至关重要,非线性磁力阻尼器能有效模拟实际工况。
应用建议:该研究揭示了浮体阵列化布置对系统性能的调节机制,为波浪能装置在复杂多变海况下的适应性设计提供了重要参考——追求高效率可选单浮体,追求高稳定性则双浮体更具优势。


💡 推广语

这篇文章通过精细的物理模型试验,量化了单浮体与双浮体波浪能装置的“性格差异”:单浮体是追求极限效率的“短跑冠军”,而双浮体则是胜在稳定输出的“马拉松选手”。研究明确了最佳阻尼参数及不同海况下的性能表现,为工程界在深远海波浪能装置的构型选择与优化设计上提供了极具价值的决策依据。


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本文引用格式:吴秀山, 周昭民, 王涛, 等. 振荡浮体式波浪能装置能量特性试验研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(2): 140-147.  (WU Xiushan, ZHOU Zhaomin, WANG Tao, et al. Experimental study on energy characteristics of oscillating buoy wave energy converter[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(2): 140-147.  (in Chinese))


作者简介:   


1989E-mailwuxiushan@powerchina.cn



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END





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《海洋工程》立足于自身定位,突出刊物特色,遵循理论与实践相结合的原则,在内容上理论性与实用性兼顾。贯彻科学技术要面向生产,为国民经济建设服务和“百花齐放,百家争鸣”的方针,交流科研成果,开展学术讨论,为提高我国海洋工程的科学技术水平,促进我国海洋资源的开发利用作出积极贡献。



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