浙江海洋大学关于系泊系统双筏波能量转换器的性能研究

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2024 Jun. 30

波浪能作为海洋能源中极具潜力的可再生清洁能源，其能量密度分别是风能和太阳能的5倍和20倍，年发电时间高于风能和太阳能，且蕴藏量非常丰富，高达70亿千瓦。然而，如何高效、稳定地捕获波浪能并将其转化为电能，一直是科研工作者面临的挑战。目前，国内外专家学者，清华大学等高校均进行了探索，并研究出了多种不同类型的波浪能转换器（WECs），其中，筏式波浪能转换器被认为是最有前途的波浪能转换设备之一。

然而，在实际应用中，配备系泊系统的双浮体波浪能转换器的性能以及数值模拟方法仍需进一步发展。针对这一问题，浙江海洋大学船舶与海运学院徐鹏老师和研究生陈炫宇的研究团队开展了对系泊系统双筏波能量转换器（WEC）的性能研究，为波浪能的开发利用提供了新的思路和数据支撑。目前，该论文已在国际知名期刊JMSE上发表。

一、研究方案:

研究团队基于三维势流理论，对双阀体波浪能转换器的动力学特性进行了深入分析。该装置由两个相互铰接的矩形浮体和铰接点处的动力输出系统组成，通过将等效动力输出（PTO）阻尼简化为线性阻尼，在频域内研究了铰接位置和浮体间距对波浪能捕获因子的影响。通过WECs模型实验，验证了模拟结果的准确性，并在时域内研究了筏式WEC的系泊系统，比较了不同系泊系统的波能转换器的性能差异。


二、实验验证:

该实验验证共分为两部分。分别为实验测试及数值模拟。

（一）实验测试

实验由拖曳水池，光学动捕系统、实验浪波机、波高仪器、具有轴向承载能力的链条等组成。

实验在长130m，宽6m，深4.1m的拖曳水池中进行，通过测量浮体在不同波频和波高下的六自由度运动振幅的变化，以及波长与特征长度之比对浮体运动响应的影响，研究了双浮体结构的运动响应与不同波条件之间的关系。为了准确监测浮体的运动轨迹，该实验使用了青瞳视觉MC系列动捕系统，该系统性能稳定，精准度高、具备室外增强等技术，可为各种实验测试验证提供有力保障。

图1 锚泊方案与相机布置：（a) 正面视图；（b) 顶部视图

图2 拖曳水池中的筏式浮体模型布置图

验证结果：在相同波高和不同波周期下，浮动体的运动响应有所不同。同时，浮体在不同波高下的运动响应变化也有显著差异，浮体在较陡波浪条件下的运动响应，明显高于在较平缓的波浪条件下。不同波周期的变化也有显著的影响浮体的运动。

(a) Case1-Case5实验纵摇运动幅度结果对比

(b) Case6-Case10实验纵摇运动幅度结果对比；

(c) 同一周期变化下，两组实验纵摇运动幅度结果对比。

浮体运动快照(T=2.00s)：

(a) 慢波条件（H=0.185m）下浮体随波浪上升的快照；

(b) 慢波条件（H=0.185m）下浮体随波浪下降的快照；

(c) 陡波条件（H=0.234m）下浮体随波浪上升的快照；

(d) 陡波条件（H=0.234m）下浮体随波浪下降的快照。

不同周期（H=0.234m）下相对纵摇运动幅度监测曲线的对比

（二）数值模拟

研究中，采用了多浮体耦合问题的三维势流理论，来分析双阀体波能转换器的动力学特性。这一理论框架不仅基于势流理论，还用于模拟部分实验条件。通过将实验数据与模拟数据进行拟合和分析，验证了模拟的准确性。

1、数值模拟的方法

利用AQWA（有限元软件ANSYS的一个子模块），模拟具有特定参数的海洋条件，并分析多个海上结构之间的耦合效应。这种方法首先获得浮体在频域中的水动力参数，然后使用傅里叶变换得到浮体在时间域中的波浪力，以及重心的位移和速度。

2、数字模拟与实验模型的比较结果

依据实验设置，确定浮体的主要尺度。并在AQWA中建立水动力模型，实验模型是用于建立两个刚性浮体水动力模型的数值模拟模型。在两个浮体之间设置了铰接连接，数值模拟中的波浪条件和系泊系统均根据实验工作条件进行设置。

可以看出，实验数据与数值模拟数据之间存在较小的可接受差距。数值模拟结果略大于实验数据结果，因为基于ANSYS平台的数值模拟基于三维势流理论，忽略了流体粘度的影响。

(a) 右侧浮体纵摇响应的工况1（H=0.185m, T=2.00s）；

(b) 右侧浮体纵摇响应的工况2（H=0.234m, T=1.67s）；

(c) 右侧浮体纵摇响应的工况3（H=0.185m, T=1.42s）。

3、对不同系泊方法的数值模拟

本筏式波浪能转换装置中，对比分析了三种系泊方法的时域计算结果，引入装置的能量俘获系数作为参考，选择当前参数设置下的最优系泊方法，以最大化装置的能量俘获系数。通过模拟可以看出，这种系泊系统能够在不影响另一端浮体的前提下，更大程度地固定浮体在来波方向上的位置，增加了浮体的运动范围。

系泊模式：

(a) 右浮体两端系泊，左浮体中部系泊；

(b) 右浮体两端系泊，左浮体未系泊；

(c) 左右浮体两端均系泊。

Case1~Case3的数值模拟结果（相对纵向摇摆RAO）

相对纵摇角速度比较

4、PTO等效旋转阻尼的数值模拟

PTO阻尼值设为常数，并研究了在特定波高和波浪周期条件下，阻尼参数对设备俘获能的影响。研究发现，只有当铰接阻尼调整到适当的值时，才能获得显著的能量俘获效率。

三、实验成果：

(1) 双浮体两侧的双锚泊设计使浮体在来波方向上得到更大程度的固定。相比之下，另一端的无锚泊结构能在一定程度上减少浮体的限制，并增加浮体运动的范围。这种锚泊方式使得波浪能发电机即使在波浪入射方向改变时也能高效地捕获波浪能。结合本文的数值模拟结果与参数设置，使用右侧浮体双锚泊系统可以使装置以最高效率捕获能量。

(2) 在研究不同的锚泊方法时，双浮体的纵向RAO曲线在频域计算中呈现出增减趋势。装置的固有频率接近峰值时的波浪频率，导致共振现象，从而增大了装置的运动幅度。目前，能量捕获系数显著大于1.0，最大值达到1.16。

(3) 在最优阻尼的研究中，将PTO阻尼设定为特定值，并在一定波浪条件（T=1.81s，H=0.10m）下进行数值模拟，阻尼从1到1500 N·m/(rad/s)时，捕获能量系数呈现出先增后减的趋势，最优阻尼集中在400 N·m/(rad/s) ~ 600 N·m/(rad/s)的区间内。

参考文献：

[1] Changhai Liu. Research on the power capture ability of the two-raft type wave energy converter and its hydraulic power take off system [D]. Harbin Institute of Technology,2018. (In Chinese) 

[2] Jianguo Dong. Numerical simulation of mooring system and structural optimization based on an elliptical and cylindrical raft wave energy conversion device [D]. National University of Defence Technology,2018. (In Chinese) 

[3] Kraemer D R. Simulation of the motions of the McCabe Wave Pump system[C]//Proc. 6th European Wave and Tidal Energy Conference, Glasgow, UK. 2005: 251-258. 

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[5] Zanuttigh B, Angelelli E. Experimental investigation of floating wave energy converters for coastal protection purpose[J]. Coastal Engineering, 2013, 80: 148-159.

原文链接:

https://www.mdpi.com/2077-1312/11/12/2352