基于多种群遗传算法的波能装置的优化设计及分析

作为可再生能源,波浪能的吸收和利用一直是国内外热点研究内容之一。本文提出一种新的基于惯性摆结构的波浪能吸收转换方法,对这种结构在波浪力作用下的频域响应进行了分析,建立了其最优化能量获取模型,提出采用多种群遗传算法对其结构进行优化设计,并针对系统所受波浪力(矩)随载体半径改变而改变,且求取困难的问题,采用最小二乘法对波浪力(矩)与载体半径变化的关系进行了拟和。通过优化结果找出影响结构获取波浪能量的因素,仿真结果表明了方法的先进性,为进一步的应用研究和频域波能获取研究奠定了基础。

基于惯性摆的波能系统研究

提出了一种基于惯性摆结构的波浪能吸收转换方法,并对采用此结构构成的水中载体所受到的波浪力及水动力进行了理论分析,建立了实验模型,对其进行了运动学、动力学仿真实验,仿真结果证明了方案的可行性。

基于惯性摆的波浪能获取机理与方法研究

随着陆地战略资源日益短缺以及经济的全球化进展，海洋资源的开发利用已成为沿海各国的重要发展战略之一，也成为地球资源保护与开发的关注热点。 海洋资源开发和利用能力对于一个国家的科研、经济实力具有重大的影响及意义。由于海洋资源开发利用和地球环境监测的迫切需求，促进了水下机器人、水下潜器等无人水中移动载体技术的发展。能源供给技术是水中移动载体系统的关键技术，能源技术对海洋人工系统的生存、作业、自主能力提升具有重要意义。目前海洋移动人工系统主要依赖自携带能源形式，针对水中移动载体的能量自补给技术研究还处于探索阶段。 地球表面有70%的面积被海水所覆盖，海水中蕴藏巨大的波浪能。具有环保、再生特色的波浪能开发利用技术长期以来一直受到国内外科研人员的关注。随着海洋战略地位的提升，海洋自主人工系统已成为海洋科学技术的重点发展内容。利用波浪能为海洋人工移动载体进行能量补给，是对于海洋波浪能利用的一种新的方法和思路。这对于提高海洋人工系统的自主生存、续航能力，提高人类在海洋资源与环境的探测、开发利用等方面的技术能力无疑具有重大意义。因而研究面向海洋人工系统的波浪能利用机理和系统实现技术无疑具有广泛的应用前景。 本文针对海洋人工移动载体自主能量获取利用这一重大科学技术需求，依托中国科学院基地创新基金项目“基于惯性摆原理的无源系统研究”，探索基于惯性摆机理的移动载体波浪能自主获取的机理，研究相关设计理论和技术方法。 由于目前尚无基于惯性摆机理的海洋移动载体能量自补给技术的相关研究成果。因而本论文的研究主要从理论分析和实验方法两个方面开展。重点分析了惯性摆的外激励能量获取机理，基于惯性摆的波浪机械能获取理论的可行性；开展了惯性摆载体的水动力学建模，原理样机的仿真，频域下的能量建模和优化，非线性波浪条件模拟，惯性摆载体的能量获取结构优化等研究工作。主要研究工作如下： 1.针对基于惯性摆机理的移动载体随机波能获取研究方案，分析了相关单摆及惯性摆机械能量转换机理，采用动量及动量矩定理，构建了惯性摆载体的六自由度运动学和动力学方程。 2．进行了相关水动力系数获取方法研究，获得了水动力系数数学描述。同时，采用虚拟样机方法进行惯性摆载体能量获取的研究，证明了基于惯性摆的波能自主获取方法的可行性及有效性。 3.针对虚拟样机方法建模的复杂性及容易产生错误等问题，进行了基于BP神经网络方法的惯性摆能量吸收效率的建模研究。并研究了基于该模型的不同波向角及波浪频率、载体外形尺寸、质量等的虚拟样机的波浪能吸收效率问题，为载体机构的改进及设计提供了较好的理论模型和基础。 4.开展了频域下惯性摆能量吸收效率研究。研究了基于频域的单惯性摆载体的动力学建模方法以及载体结构优化方法，提出采用多种群遗传算法进行载体结构的优化设计方法。通过仿真实验证明了相关算法的有效性，为系统的优化设计研究提供了理论基础。 5.以能量吸收效率最大为目标，进行了多种惯性摆形式的能量获取最大化分析研究，提出了包括单摆在内的多种可行的形式，给出了对比研究结果，可根据不同的提取形式而确定采用的惯性摆的形式。 6.采用PM谱对非线性波浪进行了模拟，研究了单惯性摆结构在非线性波浪力下的能量获取情况，仿真结果表明，在非线性条件下获取的惯性摆能量要更多，而其他波向角、频率等优化条件均与线性条件下的研究结果相同。