● 摘要
人类对能源的需求快速增长，对传统能源消耗带来的环境问题日益关切。作为一种清洁可再生能源，海洋中波浪能的开发利用越来越受到人们重视，为此设计出各类波浪能转换装置。波浪能转换装置的工作环境是海洋，整个系统是流固耦合系统，而发电系统的电路模块特性可以通过机电耦合作用影响机械系统运动特性，因此波浪能转换系统设计中涉及非线性动力学、流体力学、固体力学以及发电机电路系统和它们之间的耦合问题。
本文首先讨论了波浪能开发利用过程中已有的各种转换装置及工作原理，简要论述了国内外波浪能转换装置的研究现状和发展趋势。基于非线性单摆在基础激励下的机械运动进行波浪能转换发电的设计思路，综合考虑流固耦合、机电耦合作用，建立了一套完整的水-单摆相互作用的波浪能发电装置的物理模型。分别对电路部分、结构部分、流体域和流固耦合交界面的各个运动过程进行了微分方程描述。采用变分原理将微分方程转化为数值方程，推导了系统的模态方程和能量流动平衡方程。定性分析了整个耦合系统的能量转化过程、水-单摆的相互作用和非线性单摆驱动的发电系统的电路特性、系统的平衡点及其稳定性。通过对周期运动的理论分析发现，波浪能转换系统若存在周期运动，则一定包含波浪激励的分量，并且当一个时间周期内系统输入的能量等于耗散的能量时，在波浪能转换系统中就有周期运动，这为寻求系统解的优化形式和稳定控制策略提供了依据；最后讨论了模型的设计参数选择准则。数值分析表明，在较大的参数范围存在着周期运动，并且较小的浮体位移可以获得较大的发电量；波浪能转换装置的发电量对波速变化不敏感，证明这种发电装置的实用性。