集装箱船舶上海-鹿特丹航线船载波浪能采集系统性能评估与优化研究

为解决IMO严苛减排要求下船舶绿色能源供给难题，研究人员创新设计了集成于KRISO集装箱船内的船载波浪能采集系统(WEC)，通过建立时域BEM耦合模型分析振荡器质量、系统位置及波浪参数对能量捕获效率(CWR)的影响。结果表明：2%排水量振荡器在船艏位置(head-quartering浪向)实现66.79%往返平均效率，超越传统点吸收式装置，为船舶减排提供新路径。

　　

在全球航运业面临IMO 2040年减排70%的严苛目标背景下，传统船舶能源转型迫在眉睫。虽然海上风电、太阳能等可再生能源技术日趋成熟，但航行中的船舶如何持续获取清洁能源仍是行业痛点。现有波浪能转换装置(WEC)多需固定安装，而船载系统又面临空间限制与船舶运动耦合的复杂动力学挑战。特别是上海-鹿特丹这类跨洋航线，不同海域的波浪周期(T₀)、有效波高(H_s)和遭遇角(β)差异显著，亟需开发适应性强、能随船持续发电的创新方案。

上海某高校研究团队在《Ocean》发表的研究中，开创性地将船载振荡器系统集成于KRISO集装箱船内部。该系统包含沿导轨运动的振荡器、弹簧复位机构和功率输出(PTO)装置，通过建立时域边界元法(BEM)耦合模型，首次实现了不规则波条件下船舶-振荡器耦合动力学的精确模拟。

关键技术包括：1) 基于Python开发时域BEM耦合求解器，采用4阶龙格-库塔法积分；2) 对230米KRISO船进行水动力系数计算；3) 建立非维度化评价体系，包括捕获宽度比(CWR)、无量纲阻尼比(ξ)和振荡器力(F_axial^'/F_lateral^')；4) 分析上海-鹿特丹航线历史波浪数据。

时间域数学模型在不规则波下的应用

建立全局坐标系下船舶-振荡器六自由度耦合方程，揭示遭遇角β=60°时系统共振特性。通过PTO阻尼系数(C_PTO)优化，使能量捕获功率(?_case)最大化。

关键参数在典型工况下的表现

当振荡器质量(m_PTO)达排水量2%(约1040吨)、刚度(K_PTO)=572kN/m时，系统自然周期与常见波浪周期匹配。无量纲分析显示ξ=0.2时轴向力达1.8倍自重，但侧向力在β=120°时会骤增。

最大时间平均捕获功率分布

船艏位置(x_PTO/L_pp=0.3)在H_s>4m、T₀=8-10s时捕获功率峰值达1.2MW。但β>90°后CWR急剧下降，证实stern-quartering浪向不适用。

全航线概率统计性能

西行航线在北大西洋高波能区实现单日最高发电量18MWh，东行航线在印度洋季风期效率提升40%。往返平均效率66.79%，较传统点吸收装置高20%。

该研究证实船载WEC系统具有三大突破：1) 首创时域BEM耦合算法，解决移动载体与波浪能转换的动力学难题；2) 揭示振荡器质量-刚度-阻尼的黄金配比；3) 提出遭遇角控制策略，将head-quartering浪向能量密度提升3倍。值得注意的是，虽然增大m_PTO可提升CWR，但需平衡结构载荷，特别是在β=150°时侧向力可达4倍自重。研究为IMO 2040减排目标提供了可立即部署的解决方案，其Python开源框架更推动行业技术共享。未来若结合AI实时调参，有望将效率突破70%门槛。