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大航程无人水面航行器可调频多方向波浪能发电机理

批准号:
52101342
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王立国
依托单位:
学科分类:
海岸工程与海洋工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王立国

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
无人水面航行器(USV)是一种重要的海洋观测工具,其续航能力受到能源供给的严重限制,波浪能发电技术是解决该问题的新途径,但是大部分波浪能发电装置只在共振频率附近高效工作、频率带宽较窄,且波-电效率受波浪时空变化特征的显著影响。为解决这些问题,本项目开展可调频多方向波浪能发电机理研究:采用拉格朗日方程建立系统耦合运动模型,研究运动规律;建立多方向俘能理论,揭示高效俘能机理;建立多物理场耦合的理论数值模型,发展适应波浪特征的宽工况高效能量转换系统;结合波浪时频分析方法和预测算法,发展适用于USV可调频多方向波浪能发电系统高效运行的控制策略,并通过模型试验验证控制策略对运动性能和发电性能的影响。本项目为高效可控的大航程USV可调频多方向波浪能发电装置的研发奠定理论基础。
英文摘要
Unmanned surface vehicles (USVs) play a significant role in marine observation, but their long-term operation is restricted by power supply capacity. The technology of wave energy conversion plays a means to sustain USVs indefinitely. However, most wave energy converters only have a good power generation performance at resonance, with a narrow bandwidth, while real wave frequency varies over space and time, which significantly influences the wave-to-wire efficiency. To address those problems, this project studies the wave-to-electricity conversion mechanism with a multi-direction and tunable-frequency energy harvester: Lagrange equations are used to develop the fully coupled motion equations, which are solved for studying motion mechanisms; multiphysics modeling is performed and used to develop the high-conversion-efficiency power take-off system suitable for wave characteristics; based on wave time-frequency analysis methods and wave prediction algorithms, control strategies suitable for this novel device are developed, to maintain a high-efficiency operation; physical experiments are performed to validate the influence of control strategies on system dynamics and electric power generation. Research outcomes will lay a theoretical foundation for the research and development of controllable and high-efficiency long-range USVs.
本项目旨在研究大航程无人水面航行器(USV)的多方向波浪能发电理论和技术,解决USV长期电能供应不足的问题。项目通过理论分析、数值模拟和物理实验,发展了一种USV多方向波浪能发电装置,揭示了其发电机理。研究围绕着:1) USV波浪能发电装置理论模型研究;2)USV 纵摇方向波浪能发电装置缩尺物理模型试验研究;3)USV垂荡方向波浪能发电装置波-电全耦合模型构建与分析;4)USV多方向波浪能发电装置波-电耦合优化设计与关键技术突破;5)USV波浪能发电装置全耦合波-电网模型关键技术研究等方面展开了研究。研制了首台水面无人航行器-波浪能发电装置集成系统的样机,首次开展了此类装置的实海试验研究,对集成系统在拖航、推进和有航速状态下的运动性能和发电性能进行了测试,验证了波浪能发电技术解决无人水面航行器长时能源供给难题的可行性。本项目的研究成果不仅为USV提供了稳定可靠的电能供给,解决了长期困扰USV电能供应不足的难题,同时也为海洋可再生能源的开发利用提供了新的思路和技术途径。研究成果具有重要的理论意义和实际应用价值,为推动海洋无人航行器的发展做出了积极贡献。..经过三年的研究,项目取得了预期的研究成果:发表SCI论文17篇,其中16篇为中科院大类一区或海洋工程小类一区;授权软著两项;授权发明专利7项、申请并在审查中的发明专利6项、授权实用新型专利3项、申请并在审查中的实用新型专利1项;在《Ocean Engineering》举办“Wave Energy Conversion”特刊一次,培养研究生毕业3名、本科毕业生5名、正在指导硕士毕业生6名,指导的研究生1人获得中山大学优秀硕士毕业论文、1人获得中山大学优秀毕业生、2人获得国家奖学金,指导的本科生1人获得中山大学优秀本科毕业论文,指导的本科生在竞赛中获奖多次。
漂流浮标随体波浪能宽频高效利用机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    王立国
  • 依托单位:
国内基金
海外基金