波浪能利用的群效应研究

Wave energy is the most unstable one of the marine renewable energies, the development of the device is related to the characteristics of the sea condition. Due to the differences of locations and resources, devices are quite various under different frequencies and wave spectra, nevertheless, the array deployment of wave energy use is the common destination. The study combines the array of wave devices and the wave farm characteristics, seeks for the group and synergy effect of the wave energy capture, and gives the optimized array deployment strategy. The method of this study lies on: (1) Forming buoy units with different intrinsic frequencies theoretically based on the former studies, matching the optimized Power Take-Off (PTO), and analyzing with frequency method to obtain the individual capture spectra. (2) According to the individual capture spectra, making the device group including multi-frequency devices, testing the group capture efficiency and capture spectra in the wave tank. (3) Adjusting the number of the buoys with various frequencies to let the energy capture spectra match the target spectra of the wave generator. The study ignores the detail of the devices while focuses on the basic principle of the array deployment.

波浪能是海洋可再生能源中最不稳定的一种，装置的研发与海域特征密切相关。虽然由于地理位置和资源的差异，不同频谱下使用的装置个体型式区别性较大，但阵列式开发是波浪能利用的共同归宿。本研究拟将装置阵列与波浪场特征相结合，寻求装置群体的波浪捕获效应，从而提出优化的阵列布置策略。研究将在目前装置成果的基础上，以不同频响特征（固有频率）的浮子装置为单元，匹配最优PTO（能量提取），使用频域分析法进行理论推演，得到各单元在随机波下的获能谱；再根据推演所得单元获能谱集，构建装置群，采用物理模型试验的方法，对由不同数量、不同单元组成的装置群进行捕能测试，得到在给定波浪谱下的群等效捕能率及群的获能谱；最后，调整群内各单元的构成，优化群获能率，提高群获能谱与造波机靶谱的重合度。本研究并不强调装置型式，而注重群的普遍特征，其意义在于对波浪能阵列布置的基础理论进行探索。

波浪能装置的研发与海域特征密切相关，想实现波浪能的大规模开发利用，则必须走阵列化布置的道路。然而，实海况为随机波浪，而不同频谱下装置获能区别性较大，若采用同一装置类型，无法保证能量输出的稳定性。因此，未来波能阵列的布置需不同响应特性的捕能装置互相配合，但目前尚缺相关评估标准进行波浪能群效应研究。课题基于Longuet-Higgins波浪模型,首次提出了波浪能装置获能谱的概念，建立了波浪能装置在随机海浪中的单元概化模型，并通过将波浪能装置功率信号转化为等效获能波动信号，实现了获能谱的实际测量。课题基于获能谱理论设计实施了物理模型试验，实测了振荡浮子式波浪能装置在随机入射波况下的获能谱形式，并研究了不同固定PTO荷载、不同浮子吃水对于振荡浮子式波浪能装置获能谱的影响，确定了优化的浮子参数和PTO设置。为进一步研究振荡浮子装置获能谱的特性，课题建立了数值波浪水槽，研究了线性PTO阻尼、浮子吃水等对振荡浮子波浪能装置获能谱的影响。课题根据推演所得单元获能谱，构建装置群，进行波浪能群效应研究，对由不同数量、不同单元组成的装置群进行获能测试，得到在给定波浪谱下的等效群获能谱；探究了浮子吃水、PTO及排列顺序对于装置获能的影响。课题开发了MATLAB-AQWA联合仿真系统 MA-System，将其与遗传算法相结合建立了波能浮子阵列配置的寻优方法，计算得到特定波况下单浮子、阵列双浮子吃水和PTO阻尼的最优配置，并利用穷举算法和阵列获能谱验证了寻优结果。寻优结果表明该方法能够应用于阵列浮子优化配置的研究中，相较于穷举寻优，该方法节约了寻优时间，提高了寻优效率。