面向特定近岸场址的多自由度波浪能转换器设计及其多模态功率转换系统性能研究

《Scientific Reports》：Investigation of multi-DOF WEC S-shaped buoy configurations in the nearshore region of East China

　　

摘要

本研究提出了一种多自由度波浪能转换器（WEC），采用 S 型浮体轮廓及一个针对特定场址近岸波浪条件调谐的机械集成式 PTO 系统。该系统利用升沉以及耦合的纵荡/纵摇运动，而所提出的 PTO 机制在机械上将相应的模态响应合成为统一的传动路径，并通过单个等效 PTO 阻尼系数来表征其阻尼贡献。水动力响应使用 ANSYS AQWA 计算，而 PTO 动力学和吸功则在 Matlab/Simscape 中评估。自然多模态周期已进行调谐，以使系统响应与选定场址上最常出现的峰值周期区间保持一致。随后使用归一化联合概率分布确定特定场址的性能，以涵盖完整的地点波浪分布，包括高概率设计范围和所有非共振海况。结果表明，所有多自由度配置均优于其对应的单自由度仅升沉模型，尽管改进程度强烈依赖于浮体几何形状，因为归一化出现率加权平均吸功的提升幅度在 14.8% 至 40.6% 之间。最佳配置实现了 4.95 kW 的平均吸功和 23.14% 的平均捕获宽度比，而其单自由度对应配置分别为 3.52 kW 和 16.50%。研究结果表明，结合特定场址水动力调谐、浮体形状优化和多模态 PTO 集成，可以在现实运行条件下显著提高波浪能捕获效率。