模块化振荡涌浪波能转换器的水动力性能与功率优化

《Renewable Energy》：Hydrodynamic Performance and Power Optimization in Modular Oscillating Surge Wave Energy Converters

　　

在本研究中，研究人员考察了紧密排列的模块化结构中的底部固定挡板式振荡涌浪波能转换器（OSWEC）的水动力性能。对具有不同模块宽度的多种系统配置进行了建模。基于线性波浪理论，使用边界元法（BEM）确定水动力系数。采用规则的正向波浪驱动振荡器，并通过捕获因子（CF）等指标评估每种配置的效率，结果与类似的先前研究进行了验证。探索了功率输出（PTO）阻尼对系统性能的影响，特别是与系统的多自由度性质相关。通过线性化方法纳入粘性效应，并分析了它们对运动响应和系统性能的影响。研究结果表明，先前研究中的最优阻尼策略可能无法最大化模块化系统的功率捕获。作为一项新颖贡献，提出了一种优化的模块化刚度配置，证明了在最小辐射功率下捕获因子的显著改善。这种刚度系统可以根据波浪条件独立运行，或作为模块之间的耦合机制。最后，研究人员讨论了捕获效率和吸收的增强，表明所提出的系统动力学修改使设备能够更高效地运行并改善性能。

应对气候变化和减少温室气体排放的需求推动了海洋可再生能源的发展，其中波浪能因其高可预测性和能量密度而备受关注。在多种波浪能转换器（WEC）概念中，底部固定挡板式振荡涌浪波能转换器（OSWEC）在近岸能量捕获方面展现出潜力。然而，单挡板系统在多向波浪作用下易产生不对称压力载荷，导致较大的扭转力矩和结构需求。为缓解这一限制，模块化OSWEC概念被提出，将挡板分为多个垂直排列的模块以分布载荷。先前的研究表明，模块化设计可显著降低基础载荷，但关于功率输出（PTO）阻尼策略和模块间流体动力耦合效应的优化仍有不足。基于此，研究人员开展了本项数值研究，旨在优化模块化OSWEC的水动力性能并提升功率捕获。该论文发表在《Renewable Energy》。

为开展研究，作者采用了基于线性波浪理论的边界元法（BEM），通过ANSYS-AQWA软件计算水动力系数（包括附加质量和辐射阻尼），并利用自建的频域多自由度（MDOF）运动方程求解系统动力学，考虑模块间的流体动力相互作用。粘性效应通过线性化方法纳入。模型验证与半解析解及WAMIT数值结果进行了对比。研究中考察了不同模块宽度（0.8 m, 1.0 m, 1.2 m）的配置，并分析了PTO阻尼策略和刚度优化对捕获因子（CF）的影响。

研究结果部分包括以下内容：

**水动力系数**：通过分析波浪激励力矩发现，中央模块受到的激励力矩高于边缘模块，这是由于三维绕流效应导致压力差在中心处最大并向边缘递减。附加质量和辐射阻尼系数随波浪频率变化，且模块间相互作用引起多峰现象，表明模块化配置改变了系统的共振特性。

**功率输出阻尼与捕获因子**：研究表明，对于模块化系统，先前用于单挡板的最优阻尼策略（即均匀阻尼）并不适用。通过调整PTO阻尼，系统可在不同波周期下实现不同的CF。作为创新，作者提出了一种优化的模块化刚度配置，通过改变系统自然频率与波浪频率的匹配，使CF显著提升（在部分波周期内提升约30%），同时最小化辐射功率。该刚度系统可根据波浪条件独立作用或作为模块间的耦合机制。

**粘性效应**：通过线性化方法引入粘性阻尼，发现其抑制了共振幅度，但通过刚度优化可部分补偿能量损失，使运动响应和功率吸收更为平缓，从而提高宽波周期范围内的效率。

在讨论部分，作者总结了优化刚度配置的优势：不仅简化了机械设计（无需改变几何形状），还通过自适应耦合增强了多模块间的同步振荡，减少了不对称载荷。结论部分翻译如下：本研究提出了一个全面的数值框架，用于建模和提升模块化挡板式OSWEC的性能。与单刚性挡板系统相比，模块化配置降低了结构载荷和基础力矩，在安装、制造成本方面具有明显优势。水动力系数采用线性边界元法获得，并以规则正向波浪作为激励。通过分析PTO阻尼和粘性效应，发现模块化系统的最优阻尼策略与单挡板不同；为此，提出了一种优化的刚度配置，使各模块保持同相位振荡，从而显著提升捕获因子。最后，该方法通过实现经济可行且高效的波浪能转换过程，有望提高模块化OSWEC系统的技术竞争力。