具有周期性导波结构的海岸线集成线性振荡水柱阵列在规则波和不规则波条件下的功率输出预测

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Power output prediction of a coastline-integrated linear oscillating water column array with periodic wave-guiding structures in regular and irregular waves

　　

摘要

波浪能是一种储量巨大、可再生的资源，在全球能源组合多元化方面具有巨大潜力。然而，复杂流体–结构相互作用和多变海洋条件对高效转换技术的开发构成了挑战。振荡水柱（OWC）装置通过气动涡轮机将波浪能转化为电能，提供了一种有前景的解决方案，但需要精细化的设计策略以优化性能。本研究提出了一个基于STAR-CCM+中计算流体动力学（CFD）的全耦合波浪–空气–电能数值模型，用于解析阵列式OWC系统内的多阶段能量转换过程。该系统集成了多个OWC腔室、具有U形流道的水力冲程涡轮机、直流发电机以及沿直线海岸线布置的周期性导波堤。通过模拟多种运行工况——包括不同的涡轮转速策略、入射波高、导波堤几何形状，以及规则波和不规则波条件，揭示了关键性能决定因素。结果表明，考虑真实涡轮动力学特性时，最高的初级阶段转换效率并不一定产生最佳的整体效率。在多腔室阵列中，非均匀涡轮转速通过减小气动阻尼和补偿较低的波浪功率可用性来优化侧边子单元的性能。在所有波浪周期中，由于非线性增强和潜在的空气泄漏，初级阶段转换效率随波高增加而降低，两者均阻碍能量传递。导波堤的最佳长度随波浪周期变化，短周期波有利于中等长度，长周期波则需要延长的结构长度。在不规则波条件下，阵列中的OWC子单元表现出比规则波更均匀的性能，尽管规则波能够实现更高的整体转换效率。这些发现为基于OWC的波浪能转换系统的设计和优化提供了关键见解，并为后续的实验验证和工程研究奠定了理论基础。

引言

将波浪能开发为可再生能源是实现全球可持续发展和能源安全的关键步骤。与间歇性的太阳能和风能资源不同，由于海浪的可预测性，波浪能可提供 remarkably 稳定的发电输出，使其成为一种极为可靠的清洁能源替代方案。其全球理论潜力为2–3太瓦，可满足全球相当一部分的电力需求，同时实现零运营排放，直接应对能源系统脱碳的紧迫需求。该技术的海上作业特点最大限度地减少了土地使用冲突，且在适当实施的情况下，与常规发电相比环境影响相对较小。对于沿海国家和岛屿社区，波浪能提供了通过利用当地资源增强能源独立性的独特机遇，而非依赖进口化石燃料。尽管技术和经济挑战仍然存在，但波浪能转换的持续创新可能使这种可再生能源成为多元化、气候适应性能源组合中的重要组成部分，与其他清洁能源解决方案互补，可持续地满足日益增长的全球需求。

目前，波浪能转换技术主要包括振荡水列（OWC）、点吸收式和越浪式波浪能转换器（WEC）装置。OWC技术是一种气动式波浪能转换。在OWC中，腔室内水面的升降压缩和释放内部空气，驱动空气涡轮机发电。OWC装置由几个关键部件组成。第一个是腔室，它是一个部分浸没于海中的结构，底部向海洋开放。当波浪进入和离开腔室时，内部水位升降，产生气动效应。空气涡轮机是另一个关键部件。它通常是一种自整流涡轮机，如Wells涡轮机，无论气流方向如何都能沿同一方向旋转。这对于腔室中的气流随波浪运动而交替变化至关重要。发电机与涡轮机连接。当涡轮机旋转时，它驱动发电机将机械能转化为电能。此外，通常还有控制和监测系统。这些系统有助于优化OWC的运行，确保高效发电，并保护设备免受极端波浪条件的影响。OWC装置因其若干固有优势而受到研究关注。它们的结构相对简单，水下运动部件较少，减少了维护需求和成本。它们对不同波浪条件的适应性较好，允许在各种海况下稳定运行。此外，与其他一些技术相比，它们对海洋环境的侵入性较小，有利于海洋的可持续发展[1]。

独立OWC装置的能源捕获效率低主要源于有效波浪频率带宽较窄[2]以及波浪–结构共振失配，两者在设计工况外的波浪条件下因腔室内强烈的拍击现象而进一步加剧[3]。近期研究通过探讨阵列式OWC构型及相应优化策略来解决这一局限性。通过仔细布置多个OWC装置，建设性的水动力相互作用可以增强集体性能和整体能源捕获效率。阵列构型还扩展了有效能源利用的频率带宽，使系统对不同波浪条件的适应性更强。然而，部署OWC阵列带来了新的挑战，如设备间的水动力干扰、波浪阴影效应、结构稳定性问题以及经济方面的担忧。为克服这些问题，研究人员进行了理论分析[4]、[5]，数值模拟[6]、[7]，以及实验研究[8]、[9]，以寻找最大化的OWC系统能源捕获性能的最优阵列设计策略。其不足之处在于，部署挑战可能扰乱能量捕获过程，导致能量吸收不均匀，并引发对结构和成本的担忧。优化工作复杂，因为现有研究方法可能无法完全涵盖现实因素，且资源消耗大。

值得注意的是，OWC装置与其他海洋结构集成的研究显示出广阔前景。除了防波堤之外，现有的海洋结构如海上风电基础和养殖平台也可与OWC阵列结合使用。例如，将OWC装置集成到海上风电场的基础结构中可创建"风–浪互补"发电系统[10]，共享电力传输设施以降低单位成本。将OWC装置集成到养殖平台中不仅可提供电力，还可通过减浪效应改善养殖环境。这种多功能集成模式可以显著提高海洋空间和资源的利用效率。然而，这些耦合系统涉及流体力学、结构和机电设备之间的复杂相互作用。阵列中多个OWC装置之间的波浪干扰效应会改变局部波浪条件，有必要量化其对能量捕获的影响。极端海况下腔室压力波动与结构动力学响应之间的耦合可能导致疲劳问题。涡轮机–发电机系统的协调控制也面临"抢风效应"等挑战。解决这些问题需要建立高保真多物理场耦合模型，并深入研究波浪–结构–机电系统的协同机制。

本研究涉及探索OWC装置与其他海洋结构的集成，特别是防波堤，这是一个有前景的研究领域。将OWC装置与防波堤集成具有多重优势。波浪与防波堤相互作用可局部提高波浪能量密度，增强OWC装置的能源捕获率。防波堤使装置免受恶劣海况影响，减少波浪引起的结构损伤，延长系统寿命。这种集成设计具有多功能性，允许防波堤发挥其传统的消浪作用，同时实现波浪能捕获和发电。它可以通过共享建设和维护费用降低波浪能开发的总体成本，并通过减少独立海洋能装置对生态的影响而更具环保性[11]。近期研究表明，这些组合系统在提高能源捕获效率和经济性能方面具有潜在益处[12]、[13]。表1展示了几种常用防波堤结构类型的综合概述。它不仅列出了它们在真实环境中的运作优势和劣势，还列出了将OWC装置与这些防波堤结构集成的相关实验室研究。不同类型的防波堤结构，包括抛石防波堤、垂直防波堤和复合防波堤，各具独特特征。日本、西班牙和苏格兰有国际实验项目，在真实场景中测试了这种集成的可行性和技术优势[14]。然而，目前OWC–防波堤集成的研究仍处于初期阶段。许多关键问题尚未解决，如装置间水动力耦合效应、集成系统的结构优化以及全面的经济评估。需要进一步研究以推进技术发展和推广。

本研究考察了OWC装置中的三阶段能量转换过程，如图1所示：波浪–空气、空气–机械和机械–电能。初级阶段和第三阶段的效率分别取决于装置几何形状和发电机性能，而后续阶段由空气涡轮机特性决定。为提高OWC装置的商业可行性，波浪–空气–电能全耦合模型对于性能评估至关重要，因为它集成了波浪–空气耦合和空气–电能耦合。目前，大多数研究将三个转换过程在单个OWC装置中孤立处理，在OWC阵列中更是如此。实际上，在OWC装置的真实能量转换过程中，每个阶段并非独立而是相互关联和互动的。更具体地说，腔室内空气的流动状态影响涡轮机的运行，而涡轮机的旋转反过来影响腔室内气压和流动。然而，现有研究孤立处理这些过程，忽视了它们之间的动态相互作用。此外，对于OWC阵列系统，简化的空气涡轮机模型无法准确表征实际空气涡轮机的复杂气动特性和各种影响因素。这些局限性造成了研究与现实情况之间的偏差。

先前的文献提出了用于耦合OWC腔室–涡轮机系统的集成波浪–电能数值框架。作为清华大学代表性工作，Guo等人及Wang等人开发了配备轴流冲程涡轮机的固定式和浮动式OWC装置的全耦合CFD模型[21]、[22]。此外，Wang等人构建了多物理场耦合模型，定量比较了配备单向与双向空气涡轮机的OWC系统的能量转换性能[23]。也有研究使用物理模型实验评估了与抛物形墙耦合的圆柱形OWC装置的波浪–电能转换效率[24]。然而，现有研究主要关注单个气动式WEC装置或结构。在处理OWC阵列系统时，常使用简化的空气涡轮机模型如孔板模型[25]和线性压力–气量模型[26]，忽视了真实空气涡轮机的影响。大多数研究还将OWC阵列中的能量转换阶段分开，未考虑装置间的相互作用。选择简化模型是为了降低计算成本和便于研究，但它们扭曲了OWC阵列的经济评估。不准确的模型可能误导投资，要么高估能源输出导致过度投资，要么低估导致错失机遇。在数值上，简化模型忽视了复杂的涡轮机气动特性和阶段间的相互作用，导致压力计算不正确。这些不准确降低了能量转换效率预测和结构响应模拟的精度，可能导致有缺陷的设计，损害安全性和可靠性，并增加不必要的成本。

尽管目前运营中的OWC阵列稀少，但实际使用中的若干独立OWC装置已经暴露出一些问题。这些装置的实际年发电量和运行效率远低于最初预测。以苏格兰艾莱岛的LIMPET装置[27]为例，它建于上世纪，预计效率约为48%，但在真实海洋环境中的实际效率仅达到8%。2008年，西班牙穆特里库港口的OWC装置年发电约246.47兆瓦时，仅为估算600兆瓦时的41%[28]。类似的性能高估情况，实际发电量和效率未达预期，在日本酒田港[29]和意大利奇维塔韦基亚港[30]、[31]安装的OWC装置中也可见到。这些差异凸显了准确预测OWC装置性能的显著挑战，表明需要更深入的研究来理解和解决导致理论预测与实际结果之间存在差异的因素。

准确评估和优化振荡水柱（OWC）阵列中的多级能量转换，需要一个完全耦合的波-气-电模型。本研究通过解决若干未解决的研究空白，为OWC波浪能转换装置（WEC）的研究做出了贡献。尽管已有研究报道了针对单个OWC装置的导波结构以实现波浪聚焦，但这些结构与多腔室OWC阵列之间的水动力学相互作用仍未得到充分探索。此类配置能够集中入射波浪，提高阵列式OWC单元的能量输入，为提高系统能量捕获性能提供了一种可行的策略。此外，与大多数将功率获取单元简化为等效阻尼的现有数值研究不同，本研究在OWC阵列中纳入了物理上可分辨的多个空气涡轮机模型。以往对OWC阵列的研究很少为每个腔室部署独立的、真实的涡轮机模型以实现变速运行。通过考虑涡轮机的空气动力学特性及其与水动力学场的耦合，本研究提供了更完整的阵列级能量转换描述，这可以指导大型OWC波浪能设施的设计。本研究系统地分析了规则和规则波浪条件下的多级能量转换性能，为在真实海洋环境下运行的OWC系统提供了参考。此外，所建立的完全耦合波-气-电数值模型能够对OWC阵列的多级功率转换行为进行评估。该建模框架可作为支持未来波浪能项目设计、优化和控制的有效工具。本文其余部分安排如下：第2节详细阐述了所提出的配置，即配备有U型流道自整流脉冲涡轮机的阵列式OWC系统。该阵列布局沿直线海岸线布置，并设置周期性导波墙。第3节建立了耦合模型的框架，以精确模拟如图1所示的波浪-电力能量转换过程。第4节通过网格收敛性研究、水动力学性能预测以及水动力学与空气动力学相互作用的耦合进行模型验证。第5节展示了结果分析，包括不同涡轮机转速和波浪高度下的转换效率比较、导波墙优化以及规则和规则波浪条件下的研究。最后，第6节得出结论并总结本研究的关键成果和意义。

Section 片段

一个沿直线海岸线布置、带有周期性导波墙的线性OWC阵列

图2展示了一个阵列式圆柱形OWC装置的结构布局，部分集成到配有周期性导波结构的直线海岸线中。这些装置均匀分布，其中一些装置没入水面以下，另一些则露出水面，形成一个连贯的波浪能采集系统。该配置与海岸线平行排列，利用自然波浪入射角来优化波浪能捕获。当入射波浪...

方法

为研究集成于海岸线的多腔室OWC阵列的多级能量转换动力学，本研究采用了数值分析技术，即计算流体力学（CFD）。选择CFD方法源于其能够解析波浪能系统中关键而复杂的流体-结构相互作用的能力。针对OWC配置，这些模拟能够精确建模水动力学波浪相互作用、气动腔室振荡以及...

模型验证

在使用CFD进行性能评估时，数值结果不可避免地受到多种潜在误差来源的影响，包括网格离散化、时间步长分辨率和湍流模型近似。为确保数值稳定性和预测精度，本研究进行了严格的数值验证。时间步长大小的选择经过精心考量，以解析OWC腔室内的空气流高频振荡，同时保持数值收敛性，正如Guo等人所建议的...

不同转子角速度条件下的性能评估

在本部分，本研究采用强制旋转方案，设定恒定的涡轮机转速，这与允许涡轮机对往复气流进行动态响应的自由旋转模式不同，后者能够实现涡轮机空气动力学与腔室动力学的实时耦合。在配备周期性导波墙的直线海岸线中集成的三单元阵列式OWC系统，在不同涡轮机转子角速度组合下的多级能量转换特性...

结论

在计算流体力学（CFD）框架下，本研究开发了一个完全耦合的数值模型，用于多过程能量转换，涵盖波-气-电相互作用。该模型研究了振荡水柱（OWC）阵列系统中的多级波浪能转换，该系统集成了多个OWC腔室、带有U型流道的脉冲涡轮机和理想化的直流发电机，并集成于配有周期性导波墙的直线海岸线中。

作者贡献声明
Chen Wang：撰写原稿，验证，方法论，调查研究，资金获取，概念构思。Haochun Xu：撰写-审阅与编辑，软件，概念构思。

利益冲突声明
作者声明，他们不知道任何可能影响本文所报告工作的相互竞争的经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（批准号：52401332）、山东省自然科学基金（批准号：ZR2026MS0755）以及中国电力建设集团科技项目（批准号：DJ-ZDXM-2025-09, DJ-ZDXM-2024-09）的支持。

Chen Wang | Haochun Xu
中国海洋工程研究院（青岛），中国，266555