海上气浮式能源岛-振荡水柱复合系统的水动力性能研究

The floating Energy Island is a newly proposed offshore floating platform, into which multiple renewable energy devices are integrated. In the current project, the air cushion supported barge was presented to be the foundation of the floating energy island. Moreover, the oscillating water column (OWC) wave energy converters were implanted into the air cushions, forming the air cushion supported Energy Island - oscillating water column (ACSEI-OWC) combined system. The combined system can harvest wave energy nearby the energy island, as well as ameliorate its seakeeping motions. In this project, we will make the conceptual design of the ACSEI-OWC combined system firstly, and then study on the mathematical model and numerical algorithm for predicting the hydrodynamics of the combined system. The conceptual design and numerical method will be validated after carrying out model tests in the towing tank. Finally the wave energy capture efficiency of the ACSEI-OWC combined system are investigated and optimized. The results of this project are hoped to be significant to the development of the offshore floating Energy Island.

漂浮式能源岛是近年来提出的把多种海上可再生能源装置集成于一体的一种浮式发电平台。本项目把气垫支撑的驳船型平台作为能源岛的支撑平台，并把振荡水柱波能转换装置与能源岛的气垫结合，形成气浮式能源岛-振荡水柱复合系统，一方面可以采集气浮式能源岛附近的波浪能，另一方面可以减小气浮式能源岛在波浪中的运动响应。本项目拟针对气浮式能源岛-振荡水柱复合系统进行概念方案设计，开发分析该复合系统水动力性能的数值模型和计算方法，并开展水池模型试验对设计方案和相关算法进行验证，进而对复合系统的波浪能俘获效率进行优化，为发展海上能源岛技术奠定基础。

漂浮式能源岛是把多种海洋可再生能源集成于一体的浮式发电平台。本项目针对由气浮式平台、振荡水柱波能发电装置（OWC）、海上风机等主要功能结构组成的复合系统的水动力性能开展理论与试验研究，研究内容包括：复合系统的概念设计研究；复合系统的稳性研究；复合系统的波浪-平台-气垫/OWC-锚链耦合动力系统的数值模型和算法研究；复合系统的模型试验研究；复合系统的水动力性能和波浪能俘获效率研究。基于数值计算与试验测试两种方法，得到主要结果如下：.(1)建立了一套适用于气浮式能源岛-OWC复合系统的稳性算法模型，具有计算速度快、精度高的优点，适合于复合系统的初稳性和大倾角稳性以及气舱漏气等复杂工况下的计算。.(2)基于扩展边界元法建立了复合系统在波浪中的运动模型，该方法把气垫脉动压力引起的辐射速度势作为浮体六自由度运动辐射势的扩展，用零航速格林函数法计算浮体的辐射势及水动力系数，用理想气体状态方程计算气动力系数，进而推导建立了系泊状态下的气浮式能源岛-OWC复合系统的波浪-平台-气垫/OWC-锚链耦合运动模型。.(3)完成了复合系统的两种比例尺（1：100和1：45）的水池耐波性模型试验，由于存在尺度效应，大比例尺（1：45）的模型试验结果较为理想；进而把数值计算结果与模型试验结果进行对比，验证了数值模型的准确性和计算精度。.(4)研究了复合系统在不规则波下的波浪能俘获效率计算模型，以复合系统的耐波性运动响应最小和波浪能俘获效率最高为优化目标，基于优化算法NSGA-Ⅱ对复合系统进行优化设计，并给出了最终的复合系统获能效率的优化结果（最高获能效率达10.56%）及对应的复合系统设计参数。.本项目主要解决气浮式能源岛与振荡水柱（OWC）复合系统所特有水动力学问题方面的数值方法，并探索其动力特性和波浪能俘获效率，为今后大力发展海上气浮式能源岛技术及浮式OWC技术提供重要的研究基础。