3.1　引言

大多数波能捕获装置都是基于共振现象的装置。当共振发生时，波浪运动周期和波能捕获装置工作的固有周期相等，此时的波能捕获效率最高。当波浪周期远离装置工作的固有周期时，如果装置的共振带宽很窄，装置的波能捕获效率很低，而点吸收式波能捕获装置的共振带宽都很窄。

按国内外波能现有装置技术对波浪运动影响的结果可以大致分为点吸收式、消耗式和截止式三大类。当波能捕获装置的水平尺寸很大时，称为消耗式或截止式，此类装置具有很宽的共振带宽。点吸收式装置因为同波长比较，其尺寸很小，具有很窄的共振频带。点吸收式装置的优点是，装置的尺寸越小，装置单位造价的发电量越大。在实际波浪多变的条件下，点吸收装置大部分时间工作于共振频带之外。因此，对于点吸收装置迫切需要控制系统将波能捕获效率最大化。这种控制属于非因果控制，需要提前预测来波的参数，但实际波浪过程是随机的，很难准确地预测其参数，而且对于不规则波（实际海洋波况），控制是否能改善波能捕获效率还有争议。对我国沿海来说，波浪的运动周期较短，仅4～6s，控制器需要频繁动作，增大了系统运行的难度。对于尺寸较大的装置，如消耗式和截止式，它们的共振带宽较宽，其共振特性还很少有人研究。

船体在波浪中运动具有六个自由度，分别为纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇。理论研究表明，应用一个自由度做功的波能捕获效率最大只能达到50%，如海底锚固的振荡浮子装置，所以研制的装置至少需要应用两个自由度以上，才能具有较大的波能捕获效率。

图3.1.1　造波水槽中的装置

通过以上分析，目的是设计一种波能捕获装置，能够捕获波浪中大部分频率范围内的能量。因此，设计了基于双击式水轮机的波能捕获系统，通过设计双击式水轮机的进出流道，水轮机转子和它的进出流道一起组成了一个封闭式的水体的边界（图3.1.1），装置利用波浪中水质点上下运动导致的流体静压力的改变转化为流道内的水体的运动，此外，波浪的运动使得动压力也有效地推动双击式水轮机转子转动，由于这两种压力所产生的流体运动是同相位的，在波浪运动的一个周期内，装置将波浪的动能和位能两者同时转化为转子的转动能量（图3.1.2），而传统振荡水柱波能捕获装置只利用了波浪的势能，没有利用波浪的动能。文献[79]提出了基于双击式水轮机的波能利用装置，但是没有进行装置频率特性的研究，也没有给出如何设计流道才能增加装置的波能捕获效率。本书是在此基础上更加深入的研究。水体在波浪力的激励下产生振荡，振荡水体能够推动水轮机转子实现单向旋转，振荡水体能够周期性的改变系统所包含水体的质量和刚度，从而改变系统的水体固有频率，这样就使得所研制的波能捕获装置的水力固有频率是一个频率区间，在装置的水体固有频率范围内，装置具有高效捕获这一频段波能的能力，解决了波能分布在很宽的频率范围内和传统点吸收波能捕获装置只在很小的频率范围内具有高效率这一矛盾，在设计这一装置时，应当保证装置的固有频率区间与波浪主要能量频率区间一致。本装置的另一个优点是装置尺寸不会太大，便于安装和维修。这一装置已经在试验室取得成功，并且完成了实海况原型样机的测试，初步设计涵盖的波浪周期范围为4.5～7.0s，基本涵盖了我国海洋波能量谱组成的高能量范围，装置的研制成功对波能的开发和利用具有重要的意义。

图3.1.2　波浪指点运动示意图