波浪能转换器系统性能评估中数值建模方法的基准研究

波浪能转换器(WEC)的性能评估对设计优化至关重要。本研究针对不同数值建模方法(FD/SD/TD)在WEC系统评估中的准确性差异问题，通过对比线性频域(FD)、统计谱域(SD)和非线性时域(TD)模型，发现SD模型在计算效率与精度间取得最佳平衡，为WEC设计提供了可靠工具。研究发表在《Applied Ocean Research》。

　　

海洋波浪能作为一种储量丰富、可持续的可再生能源，在全球能源转型中具有重要潜力。然而，波浪能转换技术(WEC)的商业化规模远落后于海上风电和太阳能，主要原因是其平准化能源成本(LCOE)较高。为了提高WEC的设计效率和可靠性，数值建模已成为早期设计和优化的关键工具。然而，目前常用的数值建模方法包括基于线性势流理论的频域(FD)模型、统计线性化的谱域(SD)模型和基于Cummins方程的时域(TD)模型，它们在建模精度和计算效率上存在显著差异，这可能导致性能评估结果的偏差。因此，系统比较这些建模方法对WEC性能评估的影响具有重要意义。

研究人员在《Applied Ocean Research》发表的这项研究中，采用三种代表性数值建模方法(FD/SD/TD)，对一个通用的点吸收式WEC进行了系统性能评估。研究主要使用了边界元法(BEM)计算水动力系数，通过统计线性化处理非线性效应，并采用WEC-Sim软件实现非线性时域模拟。研究还结合JONSWAP波浪谱和实际海况数据，评估了功率性能、技术经济指标和疲劳损伤等关键参数。

WEC描述

研究采用圆柱形垂荡点吸收器作为通用WEC概念，通过底部固定的PTO系统连接。系统参数包括圆柱半径5m、高度10m、质量402520kg，PTO力限制为200kN，端部止挡位移限制1.6m。

数值建模方法比较

FD模型基于完全线性假设，忽略非线性效应；SD模型通过统计线性化引入等效非线性系数；TD模型则通过WEC-Sim实现，包含端部止挡机制和粘性阻尼等非线性效应。验证表明，在温和海况下三种模型结果一致，但在高波浪条件下FD模型显著高估功率输出(误差达84%)，而SD模型与TD模型误差小于9%。

功率性能评估

功率矩阵分析显示，最大功率吸收发生在有效波高5m、峰值周期8-9s时。FD模型在强海况下严重高估功率输出，而SD模型能准确捕捉非线性效应。

技术经济指标

FD模型高估年发电量(AEP)29.8-49.5%，低估LCOE 22.9-33.1%；SD模型与TD模型差异较小(AEP误差3.6-6.6%，LCOE误差3.5-6.2%)。

疲劳损伤评估

FD模型因忽略PTO力饱和效应，严重高估疲劳损伤(175-690倍)；SD模型能合理预测损伤趋势，与TD模型量级相当。

计算效率

TD模型计算耗时是SD模型的1000倍以上，SD模型又是FD模型的20多倍。

研究结论表明，SD模型在计算效率和精度间取得了最佳平衡，特别适用于WEC的早期设计和优化。FD模型仅适用于线性工况的初步分析，而TD模型在资源允许时应作为高精度参考。该研究为WEC性能评估中的模型选择提供了重要指导，对推动波浪能技术发展具有重要意义。研究还指出，未来工作可进一步探讨不同WEC几何和控制策略对模型精度的影响，以及更复杂环境条件下的模型适用性。