中水深环境下风浪能联合系统的半张紧系泊系统设计与性能优化研究

为解决中水深（50-80米）浮式海洋可再生能源平台系泊系统设计难题，研究人员创新性地提出采用聚酯纤维-钢链组合的半张紧系泊系统（semi-taut mooring），通过耦合动力学模拟对比分析发现，相较于传统悬链式系统（chain-catenary），新系统可显著降低90%最大系泊张力，同时减少66%系泊足迹，为降低海上可再生能源开发成本提供关键技术方案。

　　

在海洋可再生能源开发的热潮中，中水深区域（50-80米）一直存在"浮式还是固定式"的技术路线之争。这个深度区间既不适合浅水区常用的单桩基础，又因水深不足导致传统悬链式系泊系统（catenary mooring）面临严峻挑战——有限的悬垂链重量会引发高度非线性的刚度特性，当平台发生大偏移时，系泊缆张力会急剧增加。更棘手的是，随着全球海上风电和波浪能（WEC）的快速发展，如何降低平准化能源成本（LCOE）成为行业痛点，而系泊系统成本竟占漂浮式风机（FOWT）总投资的40%！

针对这一系列难题，研究人员以半潜式波浪能-风能联合系统（STFC）为研究对象，创新性地设计了包含顶部聚酯纤维绳（polyester rope）、底部钢链和潜浮标（subsea buoy）的半张紧系泊系统。通过SIMA软件进行全耦合时域模拟，首次系统比较了不同配置在50米水深下的动态响应特性。

研究团队采用三大关键技术：1）基于Syrope模型的纤维绳刚度建模，通过静态刚度（EA_s）和动态刚度（EA_d）双参数精确表征材料特性；2）多体耦合动力学仿真，整合5MW NREL风机、圆环式和三叶片式WEC的PTO系统；3）极端海况生存模式模拟，采用3964吨压载水调整平台吃水深度。

系统自然周期分析
自由衰减试验显示，半张紧系统使平台纵荡（surge）固有周期延长至30-35秒，与纵摇（pitch）周期接近，但通过优化链绳比例可避免共振风险。"semitaut-V1"配置的纵荡刚度比传统悬链式降低480%，验证了纤维绳的柔性优势。

运动响应对比
在6级海况（H_s=6.02m）下，带配重块的"semitaut-V1clump"配置纵荡标准差最大（4.8m），但其功率谱密度（PSD）分析表明，这种"柔性"特性反而能有效吸收波浪能。而传统3000米锚链系统因超高刚度导致纵摇响应激增45%。

系泊张力突破
最令人振奋的发现来自生存工况（DLC 6.1）：半张紧系统将最大缆绳张力控制在MBS的64%（7620kN），较传统系统降低23%。通过配重块优化，波频段张力响应进一步降低12%，这归功于类似调谐质量阻尼器（TMD）的减振机理。

成本效益革命
经济性分析显示惊人差距：3000米锚链系统总成本高达1026万欧元，而"semitaut-V1clump"仅需346万欧元。聚酯纤维绳的轻量化特性使安装成本降低58%，且其66%的利用率因子（utility factor）显著优于钢链的117%。

这项发表在《Journal of Ocean Engineering and Science》的研究，首次系统论证了中水深环境下半张紧系泊的技术经济双优势。其创新价值在于：1）突破水深限制，使50米水域浮式系统成本直降66%；2）首创"纤维绳-配重块-潜浮标"三元件设计，张力控制效果优于深水悬链系统；3）为风浪能联合开发提供标准化系泊方案，据估算可使LCOE降低18%。这些发现不仅解决了海洋可再生能源向近岸发展的瓶颈问题，更为未来漂浮式能源农场的集约化开发树立了新标杆。