Research progress of floating multi-energy combined power generation device
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摘要:
海洋可再生能源具有广阔的利用前景。相较于单一能源利用装置,漂浮式多能联合发电装置可以更好地实现资源优化配置,降低能源开发成本。为全面了解多能联合发电装置开发前景,从多能联合发电集成方案入手,分析不同类型联合发电装置的区别,并总结其技术特点。其中,在理论研究和仿真模拟等方面,对漂浮式多能联合发电装置各模块的研究方法和整体装置耦合动力学分析方法的研究进展予以梳理和归纳,分析各类方法的适用场景,探讨漂浮式多能联合发电装置的发展趋势及其所面临的问题和挑战,以便为后续经济可行的漂浮式多能联合发电装置研发提供参考。
Abstract:Marine renewable energy has broad application prospects. Compared with the single energy utilization device, the floating multi-energy combined power generation device can better realize the optimal allocation of resources and reduce the development cost of energy. In order to fully understand the development prospects of multi-energy combined power generation devices, this paper starts with the multi-energy combined power generation integration scheme, analyzes the differences between different types of combined power generation devices, and summarizes their technical characteristics. Next, the research progress of each module analysis method and multi-module coupling dynamics analysis method of the floating multi-energy combined power generation device is clarified and summarized in such aspects as theoretical research and simulation. Finally, the applicable scenarios of the various methods are analyzed and the development trends, problems, and challenges of floating multi-energy combined power generation devices are discussed, aiming to provide references for the subsequent construction of economically feasible floating multi-energy combined power generation devices.
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0. 引 言
海洋可再生能源具有储量大、分布广、能量密度高、可预测性强、环境污染小、可持续利用等优点,其开发利用是未来全球能源转型的重要战略途径,具有广阔的前景[1]。从广义上而言,海洋可再生能源包括潮汐能、波浪能、潮流能、温差能、盐差能以及海上风能和海上太阳能等[2-3]。在国家项目支持和发展需求推动下,我国潮汐能和海上风电技术已较为成熟,部分项目已进入商业化阶段[4]。波浪能、潮流能和海上光伏技术则处于示范应用阶段[5]。然而,我国在温差能、盐差能发电技术领域的研究起步较晚,装置的装机容量较小,还处于研发和工程示范阶段。因此,具有深远海开发利用拓展潜力的海上风能、太阳能、潮流能和波浪能其商业化并网发电和战略应用前景更好。
随着海洋可再生能源利用技术的不断进步,其利用模式也在不断优化。例如,从近岸浅水地区转向远岸深水地区开发布局,从单一能源利用向多能联合利用方向发展。多能联合发电装置通过时间和空间耦合,可实现能源之间优势互补,提高电力输出的稳定性——如果一种装置因间歇性自然条件而表现不佳,其他集成装置也可以继续发电。与单一能源利用装置相比,多能联合发电装置通过集成利用风、光、浪、流等资源,可以共享浮式基础,集中运维,规模化布置,同时可以提高装置输出能力,有效降低发电成本,增强电力输出的稳定性,减少海域使用面积,因此具有更大的经济优势。
本文将通过介绍国内外海洋漂浮式多能联合发电装置,分析不同漂浮式多能联合发电装置的发展路径,以及漂浮式多能联合发电装置相关耦合动力学问题的最新研究进展和存在的理论挑战,以期为漂浮式多能联合发电装置的新型设计、数值仿真分析和开发利用研究提供一定参考。
1. 漂浮式多能联合发电装置的分类及发展现状
将海洋可再生能源利用装置在同一个平台上进行科学集成,可以有效降低成本,促进海洋资源的可持续开发[6]。欧盟委员会和“地平线欧洲项目”已将这种多能联合发电装置确定为提高海洋清洁能源开发利用水平的优先发展途径。在欧盟委员会资助的Marina、H2Ocean和Mermaid等示范项目的推动下,有关多能联合发电装置所需的设计、工程和经济评估成果为我们提供了许多参考。这些项目实施过程表明,仍有相关关键技术问题有待解决,包括复杂结构相互作用下的流体动力学建模、混合可再生能源系统的功率控制及布局优化等。为解决这些问题,仍需进一步研究和完善集成方案。由于海上风能在技术上较为成熟,集成方案多以海上风机(offshore wind turbin, OWT)为主体,搭载不同海洋能源利用装置。目前,主流的多能联合发电装置主要包括风浪联合发电装置、风流联合发电装置以及集风光浪流一体的浮式能源岛(energy island)装置等。
1.1 风浪联合发电装置发展现状
根据欧洲中期天气预报中心(ECMWF)40年风场数据及中国国家海洋可再生能源计划的数据,在理论上,我国海域10~200 m水深等深带年平均风功率密度超过400 W/m2,50 m水深等深带年平均波浪能密度超过2 kW/m,开发潜力巨大。估算结果显示,中国海域风浪联合可开发能量总量约为3.9 TW,可作为我国绿色能源补充供电的重要来源[7]。
漂浮式风电基础型式灵活多样,可以归纳为4种类型,包括立柱型、半潜型、驳船型和张力腿型。波浪能发电装置形式多样,根据工作原理和方式的不同,主要可以分为振荡体式、振荡水柱式和越浪式。
为了利用这些丰富的海上风浪资源,集成风能和波浪能利用的多能利用平台设计研究工作正在不断推进,将浮式海上风机(floating offshore wind turbine,FOWT)与波浪能转换装置(wave energy converter,WEC)安装在浮式平台上所形成的风浪联合发电装置,已得到了较为广泛的理论和实物应用研究。风浪联合发电装置多由振荡体式、振荡水柱式的波浪能浮子和FOWT组成。这是因为这两种形式的WEC技术相对成熟,已有较为丰富的研究和应用实践经验,且产业化程度较高,开发成本相对更加可控。相比之下,受安装位置、海岸线地形、潮差等诸多因素的限制,越浪式WEC在深水区的能量利用率极低[8],导致对该类装置的研发和投入不足。相应地,其产业化程度也较低,整体投资成本较高,经济效果不佳。随着研究的深入,通过科学的多能联合利用装置设计,有望对中国广阔海域的风能和波浪能资源进行有效利用。在研究和示范项目支持推动下,海上风浪联合发电装置可能会成为一种商业上可行的解决方案和可持续发展的环境友好型能源供应模式。
1.1.1 浮式风机与振荡水柱式波浪能发电装置的组合
在2011年,Roddier等就提出了WindFloat半潜式风机[9]与振荡水柱式(oscillating water column,OWC)WEC相结合的风浪联合发电装置[10],并且开展了数值与试验研究,验证了FOWT和OWC联合发电的可行性。其后,欧盟委员会资助的Mermaid项目提出一种半潜式OWT与OWC相结合的多用途平台(集成了3个OWC和1个5 MW的OWT),如图1(a)所示。Sarmiento等[11]在西班牙坎塔布里亚海岸和海洋试验室对该装置开展了测试。在上述试验装置的基础上,Zhang等[12]设计一种类似的风浪联合发电装置,并将时域数值预报结果与1︰50比例的水池模型试验数据进行对比,证明了该装置设计的可行性。此外,研究还指出,与传统的线性阻尼控制相比,当OWC采用非线性动力输出系统(power take-off,PTO)和控制策略时,更有利于减轻平台运动响应和OWT的结构载荷,可减少15%的平台纵摇运动和6%的塔基疲劳载荷。
除半潜式FOWT与OWC相结合装置设计形式外,有学者提出Spar型FOWT与OWC结合的新型设计,并开展研究。Abazari[13]研究了Spar型FOWT平台[14]搭载圆环形阵列的OWC,如图1(b)所示,结果表明,该装置增加了总的电力输出,减小了平台运动。Fenu等[15]提出一种类似于Abazari设计的Spar型风浪联合发电装置,该装置由Spar型FOWT和3个OWC组成,并在意大利罗马海洋技术研究所进行了水池试验测试,重点研究了波浪和风载荷作用时OWC气室内的流体动力学现象。研究表明,在风载荷的影响下,OWC水动力响应受到了平台角运动的正向影响,其获能效率有所增加,同时OWC气室阻尼的增加会影响其内部气压和相对水位,影响OWC的平均获能效率。Haji[16]也研究了类似Fenu的装置,且得出了类似结论,即与单独的FOWT相比,FOWT与OWC结合的风浪联合发电装置平均功率增加了9%。Zhou等[17]提出了一种将OWC内置于Spar型FOWT中的装置,如图1(c)所示,通过一系列比例模型试验评估了其流体动力学性能,结果表明,OWC增强了FOWT在垂荡运动中的稳定性,后者的垂荡运动幅值最大降低了54.1%,当OWC腔室开口率为3.0%时,OWC俘获宽度比达到极值,当OWC腔室吃水深度和宽度增加时,腔室共振频率也会相应降低。
此外,有学者提出了一些独特的设计并进行研究。Aboutalebi[18]提出了一种搭载FOWT的驳船型装置设计,如图1(d)所示。该装置利用驳船内安装的OWC来抑制波浪导致的运动,结果表明,与传统驳船平台相比,该平台在给定波浪频率范围内表现出了更好的运动性能。Li等[19]设计并优化了一种FOWT,OWC和网箱养殖模块混合的多功能半潜式平台,如图1(e)所示,通过水动力−气动力−伺服−气弹性的耦合分析,预测了平台的动态响应。O'sullivan[20]对所设计的FOWT和OWC阵列集成的风浪联合发电装置进行了数值模拟以及试验研究,如图1(f)所示。Murai和Mochiduki[21]设计了一种搭载OWC的漂浮式双垂直轴FOWT,如图1(g)所示,通过动力学研究表明,OWC在发电的同时减小了装置的纵摇运动。Soulard等[22]设计了一种OWC与搭载5 MW FOWT驳船型平台相结合的风浪联合发电装置。
综上所述,OWC可以减小集成后装置的运动幅值,有效提升装置的运动稳定性和总的电力输出,但集成利用的形式和PTO控制仍需更进一步的研究。
1.1.2 浮式风机与振荡体式波浪能发电装置的组合
除了浮式风机(FOWT)与OWC集成的方案之外,FOWT与振荡体式WEC联合的装置也得到了广泛的研究。其中,Pelagic Power公司开发的W2Power风浪联合发电装置[6]以及Poseidon风浪联合发电平台[23]是上述概念的先驱,二者均进行了海上部署和示范应用。如图2所示,W2Power是第1个在FOWT基础上集成振荡浮子模块的风浪联合发电装置。图3为Poseidon风浪联合发电装置,在浮体基础上搭载了FOWT,在浮体下部分别安装有振荡体式和振荡水柱式WEC。Poseidon作为首批通过海上实测过的风浪联合发电装置,经过运行证明了在浮式平台上集成多种海上可再生能源利用发电装置在技术上是可行的。
图 2 Pelagic Power公司开发的W2Power风浪联合装置[6]Figure 2. Pelagic Power's W2Power wind-wave hybrid device图 3 Poseidon风浪联合装置[23]Figure 3. Poseidon wind-wave combined power generation device根据振荡体WEC与FOWT集成的风浪联合发电装置结构型式,还可将其划分为环形振荡体式、摆式振荡体式、摆动板振荡体式。近年来,许多学者对环形(Torus)振荡浮子式WEC与FOWT结合的风浪联合发电装置进行了研究,如图4所示。2012年,挪威科技大学的Muliawan等[24]提出了Spar型FOWT与环形振荡浮子式WEC结合的风浪联合发电装置(STC),如图4(a)所示。这一开创性的概念设计为后续的广泛研究奠定了基础。Muliawan等还先后对STC的运动响应、PTO、系泊载荷[25]及极端条件下的系泊张力、塔架接口弯矩、端点停止力和塔架−圆环接口接触力等参数[26]进行了研究。之后,Wan等[27-29]建立了缩尺比为1︰50的STC装置试验模型,测试了其在不同生存模式下的性能和不同PTO阻尼下的性能。Ren等[30-31]进一步研究了STC装置在年发电量、结构疲劳损伤和极端响应方面的表现。Zhou等[32]对STC装置的WEC几何形状及PTO阻尼进行优化,进一步研究了该集成装置在不同风速和波浪周期条件下的性能表现[33]。Cheng等[34]对Spar型浮式垂直轴风机(vertical axis wind turbines, VAWT)与环形WEC集成的风浪联合装置进行了研究,结果表明,引入WEC有助于增加总的电力输出,且对VAWT的发电量和动态响应影响较小。
Wang等[35-36]和Lee等37]将无桁架5 MW半潜式FOWT与环形WEC进行集成,如图4(b)所示,并研究了不同PTO系统参数、WEC形状对装置运动性能和功率的影响。该联合发电装置的功率输出随着WEC质量的增加而增加,而平台运动基本不受WEC质量改变的影响。Tian等[38]基于Wang等提出的装置,对比分析了WEC的安装数量对平台水动力性能和发电量的影响,结果表明,采用3个WEC的总的电力输出最大。
除了与无桁架半潜FOWT相结合,环形WEC还可与超大型浮体相结合。例如,Lee等[39]在频域内对该类装置进行了快速评估,Zhou[40-42]等对比研究了环形振荡浮子式WEC与WindFloat半潜式平台、OC4-DeepCwind半潜式平台结合的风浪联合发电装置。其中,与WindFloat半潜式平台结合的研究表明,无论采用什么样的WEC布置形式,当平台和WEC处于同步模式时,装置都会出现突出的功率峰值;与OC4-DeepCwind平台结合时,采用90°锥底或半球底代替平底式浮子,可以使点吸收式波浪能转换装置(point absorber wave energy converters,PAWEC)的年波浪发电量提高30%。Chen等[43]在DeepCwind半潜式平台中间增加了一个圆环形WEC,研究了该装置在耦合和非耦合条件下的性能。Zhu等[44]将环形WEC阵列与OC4-DeepCwind平台结合,分析了WEC几何参数、吃水深度、波浪入射角度和频率对平台运动响应和WEC阵列平均俘获宽度比的影响。Zhou等[45]将环形振荡浮子式WEC与半潜式张力腿平台(tension leg platform, TLP)相结合,形成了一种新的风浪联合发电装置——TWWC(TLP-WT-WEC-combination)。后来,Ren等[46]也对上述装置进行了试验和数值方面的研究,结果表明,当有义波高达到6 m时,WEC浮子可能会在自由表面振荡,并产生较大的砰击载荷。
除了采用环形振荡体式WEC外,摆式WEC与FOWT的结合也是一种思路。摆式WEC通过与浮体在波浪作用下产生相对运动,将波浪能转换为电能。与环形振荡浮子式WEC相比,摆式WEC的单体电力输出较低,但摆式WEC可适用于不同海况下运行,具有结构简单、易大规模部署的优点。其中,丹麦Wavestar公司开发的摆式WEC技术最具有代表性。Wavestar WEC是一种半球形浮子的WEC,其通过支臂将浮子与浮式结构物相连[47–49]。2016年,Karimirad和Koushan[50]提出了将Spar型WEC与Wavestar集成的摆式风浪联合发电装置概念。Derakhshan等[51]对Spar-Wavestar风浪联合发电装置在北海和地中海两种环境下的获能特性展开研究,结果表明,其在北海环境下的电力输出比在地中海环境下的电力输出高64.3%。后来,Ghafari等[52-55]研究了Wavestar的数量和几何参数对不同形式的风浪联合发电装置的影响,例如Spar-Wavestar装置、Braceless-Wavestar装置以及DeepCwind-Wavestar装置。基于图4(c)所示的DeepCwind平台,Jin等[56]和Da Silva等[57]选择了与Ghafari采用的布置方式不同的摆式WEC阵列开展研究。Zhang等[58]提出一种将Wavestar和SPIC半潜式浮式平台结合的风浪联合发电装置,研究了WEC数量对装置性能的影响。后来,Wu等[59]进一步研究了WEC形状对Wavestar-SPIC装置的影响。
除上述与Wavestar WEC结合的风浪联合装置外,Kamarlouei等[60]提出一种同心布置的WEC-FOWT风浪联合装置,并开展了1︰27的模型试验。Khatibani等[61]研究了Spar型FOWT与摆式WEC结合的风浪联合发电装置在波斯湾实际海况下的装置性能。Chen等[62]提出了一种海上风电和海浪能(W2P)结合的大功率集成发电机组。
除了上述主流设计外,还有一些其他设计。例如,Kluger等[63]将Spar型的OC3-Hywind 浮式平台与WEC阵列结合,并在FOWT内部设置了纵荡阻尼器,Peiffer等[64]在WindFloat FOWT塔筒中设置了一个PAWEC,形成了一种新型的风浪联合发电装置。
Soulard等[65]最早提出将摆动板式波浪能转换装置(flap WEC)与FOWT结合的摆动板式风浪联合发电装置概念,即THyp。原型设计有5个立柱,配备有摆动板式WEC。后来,Michailides和Luan等[66-68]提出一种无桁架半潜式FOWT与摆动板式WEC相结合的SFC(semi-submersible flap combination)风浪联合发电装置,如图4(d)所示,研究了摆动板式WEC的数量、PTO阻尼系数、质量等参数对SFC的影响,并进行了试验验证。Gao等[69]对STC和SFC进行了数值和试验对比研究,通过位移、PTO系统以及风能和波浪能功率输出的对比发现,相比SFC装置,STC装置产生相同电力输出所需要的成本更低。
截至目前,FOWT与振荡浮子式WEC集成的风浪联合发电装置研究受到了广泛关注。这种集成发电装置不仅能够充分利用风能与波浪能这两种海洋中的巨大能源,还可以通过结构创新、功率控制等手段,实现能源的高效转化与利用,在海洋能源开发领域展现出了巨大的潜力,应用前景十分广阔。随着研究的深入和技术的不断进步,这种集成发电装置将在未来海洋能源领域中扮演重要角色,为全球能源结构的转型和可持续发展贡献强劲动力。
1.2 风流联合发电装置发展现状
我国近岸沿海经济发达地区,尤其是浙江舟山海域和台湾海峡附近地区具有较为丰富的风能和潮流能资源[70]。在这些海域,采用FOWT和潮流能水轮机结合的集成装置来降低平准化度电成本(levelized cost of power,LCOE)不失为一种具有应用前景的可行方案。针对风流联合发电装置的动态响应和功率输出问题,已有学者开展了研究,如图5所示。2014年,由日本研制并海上测试的SKWID (Savonius keel and wind turbine Darrieus)装置是世界上第1台海上风能和潮流能联合发电装置,但该装置在日本北海道岛附近安装过程中发生了倾覆,具体原因不明[71]。马勇等[72]提出一种半潜式风流联合发电装置,如图5(a)所示,并对其水动力性能进行了研究。
Yang等[73]提出一种将两个水轮机与FOWT相结合的装置,如图5(b)所示,研究发现其功率输出总量提高了3.84 %~6.46 %,水轮机水动力阻尼改善了平台的瞬态运动响应,显著降低了系泊缆张力波动,且对风机的气动弹性响应和功率输出没有负面影响。在研究过程中,还对FOWT塔基的疲劳损伤进行了评估,结果表明,水轮机的存在提高了平台稳定性,显著提高了总发电量,并减少了塔基的疲劳损伤[74]。
后来,Yang等[75]又提出一种结合DTU 10 MWFOWT,OO Star平台和550 kW水轮机集成的风流联合联合装置,如图5(c)所示,研究了水轮机数量对FOWT的影响,结果表明,与FOWT相比,搭载有3台水轮机的联合发电装置总的电力输出预计将增加9.46%。
Li等[76]提出一种由Spar型FOWT、环形WEC和水轮机组合的联合发电装置HWNC,如图5(d)所示。研究表明,随着环境条件的改变,HWNC总的电力输出相比单一装置的输出增加了约22%~45%。此外,由于水轮机减少了平台运动,风电机组的电力输出更加稳定。当FOWT紧急停机时,风流联合发电装置瞬态响应几乎不受影响。研究过程中还对短期[77]和长期[78]工况下的极端响应和疲劳损伤进行了研究。其中,短期预报结果表明,塔基前后弯矩在极值和疲劳损伤方面均有所改善,但锚泊线的张力响应有所增加。由于潮流能水轮机推力作用,系泊缆承受的最大张力增大,同时也承受着更高的疲劳损伤载荷;在长期预报研究中,Li还提出了修正的环境等值线法,结果表明,改进后的方法在装置响应预报中具有更好的准确性。
1.3 浮式能源岛装置发展现状
能源岛可分为2种:一种是以岛屿为依托,可以将海上风力发电场或其他海洋能转换装置的电力转换为氢能、氨能等,或用电池存储起来,实现就地消纳;另一种是浮式能源岛,其在大型漂浮式结构物上集成有多种不同可再生能源利用模块。浮式能源岛与风浪、风流联合发电装置的不同之处在于:能源种类多,即利用多种海上可再生能源,包括但不限于风、浪、流、太阳能、温差;功能齐全,有不同获能模块转换电力用于装置运行、制氢(氨、甲醇)、海水淡化、海洋牧场、储能等。
早在2001年,中国空气动力研究与发展中心的王德茂[79]就研制了一种波浪能、风能综合利用的发电装置。2002年,意大利Ponte diArchimete (PdA)公司在安装全球首台商业化竖轴漂浮式潮流能发电装置Kobold时,在平台上搭载了6 kW太阳能发电设备,尝试了光伏−潮流能一体化互补发电。2003年,Michaelis[80]提出了“能源岛”的设想,并于2007年建设完成“能源岛”系统。刘圣冠等[81]研发了新型综合发电船,集成了太阳能、风能和波浪能发电模块,并在厦门某海域成功海试。汇明海洋电力研究院[82]、集美大学[83]、浙大宁波理工学院[84]均研制出过能源岛装置样机。申玉[85]提出了一种应用于网箱养殖的潮流能和波浪能联合发电装置。对海上能源岛装置,还有学者从理论上提出了一系列设计思路并且进行了研究[86–89]。
海上能源岛建设在国内目前还处于示范项目阶段。能源岛项目复杂而庞大,但国家能源局、江苏、福建等地均有相关文件发布支持能源岛技术发展,能源岛发展前景广阔。
1.4 其他类型的多能联合发电装置
除上述混合发电装置外,海上浮式光伏(floating photovoltaic, FPV)系统与其他海洋能源的集成也是一个新兴的研究方向,如Kbold装置。Zhu等[90]研究了一种由FOWT和FPV阵列组成的共址能源场,通过算例计算,分析了太阳能平台几何参数(包括柱深、厚度、半径和总吃水深度)、铰接系统和阴影效应对风能和太阳能平台流体动力学行为的影响程度。但目前FPV系统在海洋环境中应用较少,主要是因为海洋环境条件较为恶劣,耐盐碱浮式光伏电板设计、电板载体设计和集成、抗风浪系泊等方面的研究和技术仍不成熟,因此世界各地都是首先尝试在内陆湖泊中部署FPV系统,并由此衍生出了FPV系统和渔场联合开发的FPV养殖场概念。与陆基系统相比,FPV系统的主要优势在于水体可对太阳能电池板起到冷却作用[91]。这种冷却效应使浮动电池板的能量转换效率更高,发电量最多可增加10%[92]。同时,FPV系统还可降低场地获取和准备成本。研究表明[93],在南纬45°和北纬45°之间的纬度,海洋环境下的FPV系统可能比风电场更具有经济竞争力。基于浮式FPV系统的优势,中国和荷兰已开始在其海域部署FPV系统。虽然FPV在海洋中应用是一项新兴技术,但陆基光伏电站技术已比较成熟,结合先进的海洋工程设计方法,海基FPV项目预计在未来会有较好的发展前景。FPV与风、浪、流利用技术的集成应用也在进一步研究之中。
1.5 小 结
将风能、波浪能、潮流能等海洋可再生能源技术集成在同一个浮式平台上(例如风浪联合发电装置、风流联合发电装置等),是一种切实可行的方案。这些集成方案可以有效降低成本,提高能源利用效率,促进海洋资源的高效可持续开发。已有多个示范项目(如Mermaid,W2Power,Poseidon等)验证了这些集成方案的可行性。但是这些集成项目仍停留在研究与示范应用,离大规模商业应用还有一段距离。集成系统的复杂性使得其在动力学建模、功率控制优化等技术问题上仍然需要进一步予以解决。不同能源转换装置的协同性和兼容性还有待进一步研究。整体系统的可靠性、经济性等指标也需进一步提高。随着研究的深入,科学的多能利用设计有望更有效地利用海洋风能、波浪能、潮流能等互补资源。漂浮式多能利用系统预计会成为一种商业上可行的解决方案,推动人类生产和生活所需能源的清洁化转型。
2. 漂浮式多能联合发电装置流体动力学性能研究进展
海上漂浮式多能联合发电装置是一个高度复杂的多物理场耦合装置,涉及了水动力学、空气动力学、结构动力学、伺服动力学、系泊动力学和多体动力学等。在复杂海洋环境条件下作业时也会受到风载荷、波浪载荷、海流载荷、作业载荷和系泊载荷等的联合作用[94]。正确预报这一复杂装置在复杂海洋条件下的耦合响应,对于联合发电装置的设计、安全运行以及性能优化都至关重要。这也是当前研究海洋漂浮式多能联合发电装置的一大难点和挑战。
2.1 叶轮流体动力学研究概述
对于水轮机水动力载荷和风机气动力载荷研究方法而言,虽然两者工作介质不同,但总体上原理相通,因此其方法可归纳如下。
1) 基于旋涡理论的涡方法。
该方法基于无黏和不可压缩假设,假设漩涡从叶片尾边流出并随流体流动,除漩涡层以外区域的速度都按势流处理。通过求解叶片涡元强度、空间位置和尾迹涡元的强度、空间位置,得到叶轮尾流场和流体动力载荷,这种方法本质上是一种势流方法。在势流框架下建立的基于涡方法的叶轮计算模型,其优势不在于叶轮载荷预报研究,而在于叶片尾迹捕捉和尾流演化相关研究[95-96],应用范围也不如叶素动量(blade element momentum,BEM)理论方法或计算流体力学(CFD)方法。除此之外,当叶轮处于低速比时,流体黏性作用及其流动分离容易导致计算发散。势涡方法应用在风机上时在低风速下会产生计算不稳定性,无法考虑气弹性变形和风轮锥角,且在叶轮计算时耗时较长,因此不能满足多能联合发电装置耦合动力响应计算的快速性要求。
2) 基于求解纳维−斯托克斯(N−S)方程的CFD方法。
CFD求解N−S方程有2种方法:一种是直接数值模拟(DNS)精确求解湍流,另一种是则通过雷诺时均(RANS)、大涡模拟(LES)、分离涡法(DES)等模型近似求解[97]。DNS方法在工程中对计算量要求很高,因此模型近似求解方法更加适合研究计算,也更常用。CFD方法精度较高,但计算需要消耗大量计算资源,且耗时较长。
3) 源于致动盘模型(actuator disk model, ADM)的致动线模型(actuator line model, ALM)。
2002年,Sørensen和Shen[98-99]抛弃了传统ADM模型中的轴对称假设,建立了全三维的ALM模型。ALM模型采用带体积力的虚拟致动线来模拟真实的叶片,将叶片沿径向离散为若干叶素,利用已知翼型的升阻力系数计算气动力载荷沿叶片径向的分布情况,然后将叶片对流场的反作用力简化为沿致动线分布的体积力作用于流场。ALM模型采用虚拟致动线替代传统风机中的叶素,且该方法不需要计算叶片表面边界层的流动,因而可以节省大量时间[100]。
4) 叶素动量理论方法。
该方法经典高效,目前大部分计算风机气动力载荷的工程计算软件都是基于叶素动量理论,如FAST,Bladed等[101]。它将每个叶片划分为径向截面,并应用动量和叶片单元理论,根据叶片几何形状和局部流动条件有效计算局部截面气动力载荷。为了提高预测能力,叶素动量理论增加了动态尾流修正,以考虑旋转效应,同时使用风洞试验校准的动态失速和叶尖损失模型。这些修正对于真实地捕捉不同运行条件下的叶轮瞬态负载特性至关重要。
综上所述,涡方法降维后的计算量相对不大,计算效率较高。在计算一些黏性影响不大的工况,例如非失速工况下,其计算精度得到了较为广泛的验证与确认。CFD方法在计算大攻角强分离情况下的准确度较高,可以胜任各种复杂边界的模拟与计算。在考虑一些复杂情况时,如叶轮尾流场演化、结构物对叶轮载荷性能影响以及叶轮周围流动细节时,CFD方法具有更大的优势。CFD方法计算精度虽然相对最高,但计算速度也是最慢的。叶素动量理论方法简单、直观,虽设有诸多假设条件并需要加入各种经验修正,但是在势流分析方面拓展性较强,综合计算效果较好,可以简单快速地给出叶轮载荷特征曲线,研究人员也更倾向于采用此方法,因此非常适合用于多能联合发电装置的快速耦合分析和预报。
2.2 波浪能浮子获能研究概述
波浪能浮子水动力性能的研究对于提高波浪能转换效率和优化浮子设计至关重要。在研究方法上,波浪能浮子的水动力性能研究与浮式载体的水动力性能研究存在着诸多相似之处,大多基于Morison公式方法、势流理论方法、CFD方法。
在波浪能浮子获能研究中,PTO系统的准确模拟尤为关键。这也是漂浮式多能联合发电装置——尤其是浮式风浪联合利用系统设计研究的关键问题之一。一方面,WEC捕获的波浪能必须经过PTO系统的二次转换才能转化为电能,因此PTO系统将直接决定WEC的输出功率。另一方面,WEC会通过PTO系统向多能利用装置传递力和力矩,这意味着PTO系统的特性也会间接地影响联合发电装置的运动。然而,大多数学者在数值模拟和模型试验中都对PTO系统进行了简化。具体而言,在数值研究中,常用一个线性阻尼系数或者弹簧阻尼−刚度模型来表示风浪联合装置的PTO系统。在实际装置中,WEC的PTO系统的主流形式包括液压式[102]、机械式[103]、直驱式[104]。其中,液压式是目前最成熟的波浪能俘获技术,其效率高,非常适合低频和高功率密度的波浪能开发利用[105–108]。液压式PTO系统通常由多个液压元件组成,不同的元件参数使得其能量转换特性复杂,并影响装置的反作用力特性[106,109-110]。因此,为了更准确地预报系统的性能,在进行耦合预报时,最好将液压模型考虑到计算模拟中。Wang[111]提出一种使用液压式PTO系统的风浪联合发电装置,建立并验证了基于线性波理论和液压元件基本方程的数值模拟框架,研究了6个关键液压参数对混合系统的波浪能捕获和运动响应性能的影响。
在波浪能浮子水动力建模分析时,主要关注不同浮子结构形式、波浪类型和阵列相互作用下的获能特性。但模拟过程中,研究者通常使用简化的PTO系统,无法真实模拟其动力学特性。例如,液压式PTO容易产生延时、死区、滞环效应等问题,机械式PTO存在摩擦、饱和等问题,直驱式PTO存在齿槽力、负载效应等问题,这些问题都可能导致波浪能装置的获能、可靠性或者仿真精度降低。未来的波浪能浮子获能研究中,还需进一步考虑PTO耦合时的动态和非线性问题。
2.3 载体水动力学研究方法概述
多能联合发电集成装置载体水动力性能的研究方法主要包括Morison 公式方法、势流理论方法、CFD方法。
Morison公式是Morison等[112]提出的经验公式,在海洋工程领域有着广泛的应用。Morison公式主要用于计算小尺度结构物上的波浪载荷,重点考虑附加质量效应和黏性阻力效应。
相比于小尺度结构物,大尺度结构物的存在及其运动对流场的干扰是不能忽视的,此时附加质量效应和绕射效应要大于黏性效应的影响。因此,三维势流理论方法在保证计算精度的前提下可用来对支撑平台进行水动力性能分析。由于势流理论计算简便、效率高,目前广泛应用于计算浮式平台的水动力载荷,如Sesam,HYDROSTAR,AQWA,OrcaFlex等商业软件也都是基于三维势流理论的。
CFD方法包括欧拉法和拉格朗日法。欧拉方法将流体离散为网格,而拉格朗日方法将流体离散为粒子。大多数CFD软件都遵循欧拉方法,比较著名的有ANSYS Fluent,CFX,FLOW-3D,Star-CD/CCM+和OpenFOAM等。这些软件被广泛用于浮体水动力分析,能够处理各种非线性流动现象,包括黏性、漩涡脱落、越浪和砰击。在拉格朗日方法中,光滑粒子流体动力学(SPH)法得到了深入的研究。SPH方法[113-114]在质量自动换算、表面追踪简化等方面具有优势,可以方便地计算装置在极端波浪中的波浪载荷。
2.4 漂浮式多能联合发电装置耦合动力学分析方法概述
2.4.1 CFD方法概述
CFD技术是分析漂浮式多能联合发电装置复杂流固耦合问题的有效数值模拟工具。例如美国可再生能源试验室(NREL)的OC6项目[115-116],其部分内容就是通过与水池模型试验数据的对比,验证CFD技术应用到FOWT动力响应分析中的可靠性。结果表明,在对海洋中的浮体、系泊缆和发电装置(如风、浪、流能量转换器)耦合仿真时,CFD技术表现出较好的计算收敛性,在结果上也具有较高的预报精度。
浮体在真实海洋环境中运动时存在各种黏性摩擦、湍流、边界层分离等黏性效应以及各种非线性效应。这些黏性效应和非线性效应如何影响波浪能捕获和联合装置的性能,以及获能装置捕获能量时对主浮体的动态响应的影响,例如振荡水柱的高次谐波共振响应对FOWT塔架结构的高频共振响应的影响和流体黏性对振荡浮子式WEC运动和功率的影响[117-118],都需要进行独立研究。黏性CFD方法可以较真实地还原实际流场情况,基于具体的数值模型完成不同模型的气动力−水动力耦合作用下的复杂流场计算,可方便地获得流场所有信息,从而帮助人们深入理解装置气动力−水动力耦合的机理[119]。
集成装置的耦合运动模拟与CFD网格划分技术息息相关。模拟运动的网格技术主要有3种:重叠网格技术、滑移网格技术和动网格技术。
重叠网格通常包括两个独立的区域,即背景网格和组件网格。在两个网格系统的接口处进行数据插值。背景区域用于波的产生和传播,而运动区域可用于浮体的六自由度运动[120]。这种方法的最大优点在于网格区域独立,避免了负网格体积,同时可实现多物体之间的多级运动,在处理漂浮式多能联合发电装置的多体运动时有较大的优势,但代价是网格数量较多,计算耗时[121]。重叠网格可以与滑移网格耦合来考虑水动力−气动力耦合模拟,因为滑移网格可以方便模拟桨叶运动。滑移网格法重点关注滑动界面,两个滑移网格嵌合体也可以建立水动力−气动力耦合模型。需注意,动网格无法与滑移网格耦合,这是因为滑移网格需要建立多个域,实际上还是计算区域运动,是一个独立区域内所有网格一起运动,而动网格则是真正意义上的网格运动。当使用动网格法模拟联合发电装置运动时,桨叶运动很容易产生负网格,造成计算发散。ALM方法[122–124]可解决动网格法中难以计算桨叶运动的问题,因为该方法将叶片简化为一个力源项,不需要模拟叶片的实际运动形态。其他模型例如SPH和Lattice Boltzmann法[125-126],也可用于联合发电装置的流体力学分析。
CFD数值仿真技术具有适用范围广、直观性强并能够获取丰富的数值结果等许多优点,但也存在一些不足。CFD结果的准确性依赖于使用者的经验,不同用户的参数设置包括网格生成、湍流参数、时间步长和边界条件等因素都会对计算结果产生影响。即使是专业用户也可能因不同的参数选择而产生不同的模拟结果。此外,CFD模拟的计算成本,尤其是高雷诺数湍流的计算成本仍然很高。涉及多个运动部件或自由表面波的复杂三维模拟可能需要非常大的计算网格和很长的求解时间,例如对FOWT进行3 h的不规则波浪建模需要极高的计算成本。尽管自适应网格技术等仅在需要的区域细化网格,降低了计算成本,但在处理多能联合发电装置耦合计算时的能力仍然有限。使用混合RANS-LES方法和黏−势耦合模型也有望提高计算效率,但在广泛使用之前需要进一步验证。
2.4.2 势流耦合方法概述
虽然像RANS和LES这种高保真度CFD方法可以提供更多的细节,但更高的计算成本对于评估多能联合装置的设计研究来说是昂贵的。相较于高保真的CFD方法,势流耦合方法在漂浮式多能联合发电装置的性能预报中得到了广泛应用。
势流求解浮体水动力可分为频域和时域方法。频域方法求解的是周期稳态问题,所求解的物理量与时间无关,因此计算速度很快,广泛应用于浮式海洋结构物的设计中。频域势流方法应用于漂浮式多能联合发电装置的初步设计时,常对OWC或振荡式WEC线性化,进而快速求解。在实际求解中,因为浮体物面并不规则,无法直接给出理论解,所以一般通过边界元方法进行数值求解。在实际处理时,一般采用WAMIT,HydroD或AQWA等频域计算软件得到附加质量、频域阻尼、单位幅值响应算子等水动力参数。
在频域中很多瞬态的影响无法考虑到,而在时域中因为时间项的参与,可以实时准确地预测短期或长期海况下的装置性能。时域方法分为直接时域和间接时域方法。直接时域方法计算量相对较大,目前大部分的浮体运动响应分析都是通过间接时域方法,利用Cummins方程[127]求得。将频域分析下得到的辐射阻尼、附加质量和波浪激励力进行傅里叶变换,求得时域下的附加质量、延迟函数和波浪激励力,然后再建立时域内浮体的结构运动方程。波浪激励力由费劳德−克雷洛夫力(F−K力)和绕射力共同构成。入射势引起的波浪力即F−K力;绕射势引起的波浪力也称绕射力;辐射势引起的载荷将进一步分解为附加质量和辐射阻尼。辐射阻尼的时域公式在海洋工程水动力学中也被称为延迟函数(retardation function)。延迟函数中的核函数也称单位脉冲响应函数,在数学上表达了傅里叶变换中频域转时域的卷积形式,在物理上则表示浮体在波浪中运动的延迟效应,即过去的运动因波传播延迟而影响当前的载荷。对于延迟函数而言,其求解方法一般有两种:一种是求解延迟函数对应的卷积;另一种是采用状态空间法替代卷积计算。该方法是现代控制理论中常用的分析方法,它将上述需要进行多次的循环计算简化成二维矩阵运算,从而显著提升了计算的效率。在势流理论基本假设中忽略了水的黏性,而实际的物理现象中黏性对于水下结构的作用同样重要,尤其是对于直径较小的细长体结构更需要予以重视。在通常的处理中,使用Morison公式考虑浮式结构中的水动力黏性阻尼力。除了辐射阻尼和黏性阻尼这类非线性阻尼,浮式结构物还可能需要对线性阻尼进行修正,这可以通过试验或者CFD方法获得。
除了使用势流理论表征的波浪载荷外,运动方程中还必须包括其他环境和设备特定载荷,以充分模拟漂浮式多能装置的动态响应。例如PTO力表示获能部件(如WEC)的设备−水相互作用力,以及风载荷、系泊载荷等。所有这些载荷都需要包含在一个耦合的二阶常微分方程组中。为了真实模拟静态和动态负载响应,需适当设置质量、惯性和流体动力学系数。然而,这些运动方程也带来了一个非线性初值问题,并可通过使用欧拉、龙格−库塔(Runge−Kutta)或Newmark-β等方法在时域内进行数值求解。上述求解过程被集成在现有的商业软件和开源软件包中。
表1和表2所示为漂浮式多能联合发电装置的分析方法汇总。从表中可以看出,当前学者在分析风浪联合发电装置时,主要采用基于势流理论的耦合动力学求解方法所开发的商业或开源软件。这种基于势流理论的分析方法,可以在一定程度上捕捉到装置在复杂海洋环境下的动力响应,并通过耦合多个子系统实现对整体性能的预测。这种现状反映了当前学术界在分析风浪联合发电装置时更倾向于采用相对成熟、计算效率较高的建模技术,例如基于势流理论的耦合动力学模型。尽管CFD和试验方法可以提供更加精确的结果,但建模和试验工作量较大,计算资源需求较高,在工程应用中的灵活性较差。未来,随着计算资源的进一步提升和试验手段的进一步发展,基于CFD的数值模拟和实际试验方法有望在风浪联合风电装置的研究中得到更广泛的应用,并将有助于进一步提高此类装置的设计水平,促进相关技术的成熟与发展。
表 1 FOWT与OWC联合发电装置分析工具的简要总结Table 1. A brief summary of the analysis tools for FOWT-OWC combined power generation devices作者 工具 耦合程度 OWC处理 PTO控制 Aubault等[10] WAMIT 频域水动力 线性化 − Abazari[13] 频域分析 频域水动力 线性化 − Michele等[128] 特征函数匹配法,频域 频域水动力 线性化 − Murai等[21] ANSYS AQWA 时域水动力 自定义力 − Haji等[16] ANSYS 时域水动力 − − Aboutalebi等[18] WAMIT+FAST 非线性时域水动力−气动力−伺服−
气弹性−结构−系泊线性化 − Li等[19] ANSYS+Wadam+SIMO/RIFLEX 非线性时域水动力−气动力−伺服−
气弹性−结构−系泊线性阻尼力 − Zhang等[12] ANSYS AQWA+OpenFAST 非线性时域水动力−气动力−伺服−
气弹性−结构系泊−PTO控制等效虚拟振荡体 PLD,TGD,CGD控制 Ahmad等[129] Matlab (ANN,深层ANN) 非线性时域水动力−气动力−
伺服−结构−气弹性−系泊− − Zhou等[17] 试验 水动力 − − Sarmiento等[11] 试验 水动力−系泊−气动力(圆盘) − − Fenu等[15] 试验 水动力−系泊−气动力 等比模型,孔口阻尼 − 表 2 FOWT与振荡体式联合发电装置分析工具的简要总结Table 2. Brief summary of analysis tools for FOWT-oscillating bodies combined power generation systems作者 工具和方法 作者 工具和方法 Che等[43],Jin等[56],Yang等[73–75] ANSYS AQWA+OpenFAST Derakhshan等[51] Matlab Zhu等[44] 特征函数匹配法 Soulard等[65] NEMOH Lee等[39],Peiffer等[64],Kluger等[63] WAMIT Da Silva等[57] NEMOH+ OpenFAST+ 统计线性化 Zhou等[40–42] WAFDUT[130] Soulard等[22,131] 自主研发的BEM软件Aquaplus+势流理论编程 Wang等[35-36],Tian等[38],Ren等[46],Zhou等[45],Ghafari等[53–55],Chen等[62],Wu等[59],Zhan等[58],Yazdi等[132],Ma等[72] ANSYS AQWA Michailides等[66,68],Gao等[69],
Luan等[67],Bachynski等[133]Simo/Riflex+AeroDyn Lee等[37] Openmodelica Wan等[28-29] Sesam/Wadam Wan等[27-28],Kamarlouei等[60] 试验 Crespo等[134] DualSPHysics Muliawan等[24–26],Ren等[30-31] Simo/TDHMILL3D Cheng等[34],李宇萌[86],高杰[89] Simo-Riflex-DMS 贾西贝[88] STAR CCM+ Li等[76–78],Wang等[111] WEC-sim 从表1中FOWT与OWC联合发电装置分析工具的方法汇总可以看出,在仿真模拟方面,对联合发电装置的分析方法从早期的基于频域的水动力学模拟,目前已发展到能够考虑非线性效应的时域耦合模拟。这种耦合模拟涵盖了水动力学、气动力学、伺服系统、气弹性、系泊系统和PTO控制等诸多方面的耦合效应。相比于简单的水动力学模拟,这种综合性建模方法可以更全面地反映浮式风电机组的复杂动力行为。在试验方面,对联合发电装置的研究也从单一的浮体和OWC装置的水动力学试验,发展到了涉及水动力学、系泊、气动力学等多个方面的联合试验。这类联合试验能够更加真实地验证浮式风电装置在实际环境下的性能表现。总体上,表中所示分析工具的发展反映了学术界和工程界对多能联合发电装置认识的不断深化。从单一力学效应的分析到复杂耦合行为的模拟,从独立试验到综合试验,这些都体现了对此类联合发电装置认知的不断提升。这种进步为多能联合发电装置的优化设计和性能验证提供了更加先进的分析手段。
2.4.3 人工智能方法概述
在基于势流耦合理论的耦合流体动力学分析基础上,还可以结合使用人工智能技术。分析和评估漂浮式多能联合发电装置的水动力−系泊−伺服−气弹性−结构耦合响应性能是一项复杂而具有挑战性的任务。在额外考虑多体、液压、控制等问题时,整个耦合模型的计算量与复杂度会变得非常巨大。随着人工智能研究的不断深入,利用机器学习算法可以处理大量数据,而人工神经网络(ANN)是此类非线性系统最常用的建模技术之一[135]。图6所示为一种基于ANN的FOWT+OWC性能预报模型[129]。该预报模型训练所用的数据集是从结合了流体力学、空气动力学和伺服动力学特性的势流耦合方法中获取的,并考虑了最低均方误差(MSE)的影响,在使用适当的参数对模型进行训练后,可以实现对混合动力系统的闭环控制。为证明该预报模型的计算效率、有效性和准确性,研究者还对该模型进行了不同风速和波浪情况下的基准测试,将基于ANN的混合系统模型输出结果与完整的非线性复杂混合模型输出结果进行了比较,结果表明,此面向控制的ANN模型在预测功率、装置运动方面具有较高的精度。
漂浮式联合发电装置工作在复杂多变的海洋环境中其响应随外部环境条件的变化而变化。传统的数值模拟方法很难充分考虑所有可能的环境因素,故容易产生较大的预测误差。而基于人工智能的模型能够通过不断学习和更新,自适应地捕捉装置在各种工况下的动态响应特性。随着实际测试数据量的积累,人工智能模型的准确性和可靠性将不断获得提高,在未来可为装置在复杂环境下的性能评估和优化提供更加精准的技术支持。此外,人工智能技术还可以通过迁移学习等方法,利用已有的知识快速适应新的工况条件,从而提高人工智能方法建模的灵活性和泛化能力,极大地增强漂浮式联合发电装置流体动力学性能分析的计算效率。人工智能技术还可以应用于漂浮式多能联合发电装置的多目标优化设计,利用进化算法、强化学习等方法,在设计参数空间中快速搜索出满足性能要求的最优解。如此,不仅大大缩短了产品研发周期,也能够探索出更加高效的装置设计方案。
然而,人工智能方法仍存在一定劣势。相比基于物理定律的数学模型,人工智能模型通常缺乏可解释性,很难从理论上分析预测结果的物理意义,从而给漂浮式多能联合发电装置的性能分析和优化设计带来了一定挑战,并会降低模型预测结果的信任度。而且,目前很难深入了解人工智能模型内部的工作机制,难以有针对性地对模型进行调整和改进。人工智能模型的准确性和可靠性很大程度上依赖于训练数据的质量和数量。对于新型的漂浮式多能联合发电装置而言,在缺乏大量实测数据或可靠的数值模拟结果情况下,很难获得高质量的训练样本,因此可能导致人工智能模型在预测新装置的流体动力学性能方面存在较大偏差。此外,训练数据的分布特性也会影响模型的泛化能力,使得其难以在全面的工况范围内获得准确的预测结果,因此在应用人工智能技术进行性能分析时,需要格外重视训练数据的质量控制以及样本扩充。不仅如此,人工智能模型的建立和训练通常还需大量的计算资源和时间,特别是对于复杂的深度学习模型,其训练过程对GPU显存、CPU算力等硬件性能的要求很高,由此导致在工程应用中可能遭遇效率瓶颈。
2.5 小 结
本节介绍了漂浮式多能联合发电装置的流体动力学性能研究进展,包括各能源模块性能分析方法和联合发电装置耦合动力学特性分析方法。
在实际应用中,根据具体研究需求和计算条件,需要综合选择合适的分析方法。例如,在计算资源充足且对计算精度要求高的情况下,可选择CFD方法;对于快速耦合分析和预报,势流理论和叶素动量理论更适用。对于波浪能浮子获能研究,应进一步考虑PTO中的动态和非线性问题,以提高模拟的准确性。在使用人工智能方法时,要重视训练数据的质量控制和样本扩充,以提高模型的准确性和泛化能力。对于不同分析方法的优缺点,应在研究中充分权衡考虑,通过多种方法的结合或互补,提高研究的全面性和可靠性。例如,可先采用势流理论和叶素动量理论进行快速预估,然后再利用CFD方法进行更精细的分析验证。
总之,针对漂浮式多能联合发电装置的流体动力学性能研究,需根据具体情况选择合适的分析方法,通过多种方法的综合应用,不断提高研究的准确性和实用性,为装置的优化设计和性能提升提供有力支撑。
3. 结 语
风、光、浪、流等海洋可再生能源具有巨大的开发潜力,漂浮式多能联合发电装置将海上风机、波浪能浮子、潮流能水轮机、光伏面板中的两种或者多种集成在一个载体平台上,可实现多种能源的综合利用,提高能源利用率,增强电力输出能力及稳定性,具有较大的开发潜力。Mermaid,W2Power和Poseidon等项目已经证明了多能联合、集成利用技术的可行性。因此,漂浮式多能联合发电装置的规模化开发利用将有助于应对能源短缺和气候变化等问题。
然而,漂浮式多能联合发电装置的推广应用仍面临较多困难。首先,缺乏装置载体平台、定位系统、能量转换机构、辅助生产系统、集成布置等的详细定义和总体方案设计;其次,耦合方法主要还是基于叶素动量理论与势流理论相结合的方法,而该方法在解决多能联合发电装置全耦合分析的复杂问题时存在一定的局限性,无法考虑黏性、强非线性、完整PTO系统建模等问题,从而导致在风、浪、流作用下联合装置系统的运动、载荷及功率特性的分析还不够准确;最后,对联合发电装置非线性耦合作用机理和规律的认知仍存在不足,无法指导此类装置在海上应用时的工程设计,无法实现海洋可再生能源发电向远岸深海和集成化、规模化方向发展。
未来开展深远海漂浮式多能联合发电装置的创新设计和多物理场耦合性能分析研究尤为关键,在提高联合发电装置的高效性、稳定性和可靠性,以及降低装置的建造、安装、维护和运营成本等方面还有待更进一步探索。随着技术的不断进步,漂浮式多能联合发电装置将为实现能源可持续发展目标做出重要贡献。
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图 2 Pelagic Power公司开发的W2Power风浪联合装置[6]
Figure 2. Pelagic Power's W2Power wind-wave hybrid device
图 3 Poseidon风浪联合装置[23]
Figure 3. Poseidon wind-wave combined power generation device
表 1 FOWT与OWC联合发电装置分析工具的简要总结
Table 1 A brief summary of the analysis tools for FOWT-OWC combined power generation devices
作者 工具 耦合程度 OWC处理 PTO控制 Aubault等[10] WAMIT 频域水动力 线性化 − Abazari[13] 频域分析 频域水动力 线性化 − Michele等[128] 特征函数匹配法,频域 频域水动力 线性化 − Murai等[21] ANSYS AQWA 时域水动力 自定义力 − Haji等[16] ANSYS 时域水动力 − − Aboutalebi等[18] WAMIT+FAST 非线性时域水动力−气动力−伺服−
气弹性−结构−系泊线性化 − Li等[19] ANSYS+Wadam+SIMO/RIFLEX 非线性时域水动力−气动力−伺服−
气弹性−结构−系泊线性阻尼力 − Zhang等[12] ANSYS AQWA+OpenFAST 非线性时域水动力−气动力−伺服−
气弹性−结构系泊−PTO控制等效虚拟振荡体 PLD,TGD,CGD控制 Ahmad等[129] Matlab (ANN,深层ANN) 非线性时域水动力−气动力−
伺服−结构−气弹性−系泊− − Zhou等[17] 试验 水动力 − − Sarmiento等[11] 试验 水动力−系泊−气动力(圆盘) − − Fenu等[15] 试验 水动力−系泊−气动力 等比模型,孔口阻尼 − 表 2 FOWT与振荡体式联合发电装置分析工具的简要总结
Table 2 Brief summary of analysis tools for FOWT-oscillating bodies combined power generation systems
作者 工具和方法 作者 工具和方法 Che等[43],Jin等[56],Yang等[73–75] ANSYS AQWA+OpenFAST Derakhshan等[51] Matlab Zhu等[44] 特征函数匹配法 Soulard等[65] NEMOH Lee等[39],Peiffer等[64],Kluger等[63] WAMIT Da Silva等[57] NEMOH+ OpenFAST+ 统计线性化 Zhou等[40–42] WAFDUT[130] Soulard等[22,131] 自主研发的BEM软件Aquaplus+势流理论编程 Wang等[35-36],Tian等[38],Ren等[46],Zhou等[45],Ghafari等[53–55],Chen等[62],Wu等[59],Zhan等[58],Yazdi等[132],Ma等[72] ANSYS AQWA Michailides等[66,68],Gao等[69],
Luan等[67],Bachynski等[133]Simo/Riflex+AeroDyn Lee等[37] Openmodelica Wan等[28-29] Sesam/Wadam Wan等[27-28],Kamarlouei等[60] 试验 Crespo等[134] DualSPHysics Muliawan等[24–26],Ren等[30-31] Simo/TDHMILL3D Cheng等[34],李宇萌[86],高杰[89] Simo-Riflex-DMS 贾西贝[88] STAR CCM+ Li等[76–78],Wang等[111] WEC-sim -
[1] 崔琳, 李蒙, 白旭. 海洋可再生能源技术现状与发展趋势[J]. 船舶工程, 2021, 43(10): 22–33. CUI L, LI M, BAI X. Present situation and development trend of marine renewable energy technology[J]. Ship Engineering, 2021, 43(10): 22–33 (in Chinese).
[2] International Renewable Energy Agency. Fostering a blue economy: offshore renewable energy[R]. Masdar City: International Renewable Energy Agency, 2020.
[3] 郑洁, 杨淑涵, 柳存根, 等. 海洋可再生能源装备技术发展研究[J]. 中国工程科学, 2023, 25(3): 22–32. doi: 10.15302/J-SSCAE-2023.03.003 ZHENG J, YANG S H, LIU C G, et al. Development of marine renewable energy equipment and technologies[J]. Strategic Study of CAE, 2023, 25(3): 22–32 (in Chinese). doi: 10.15302/J-SSCAE-2023.03.003
[4] 刘伟民, 麻常雷, 陈凤云, 等. 海洋可再生能源开发利用与技术进展[J]. 海洋科学进展, 2018, 36(1): 1–18. LIU W M, MA C L, CHEN F Y, et al. Exploitation and technical progress of marine renewable energy[J]. Advances In Marine Science, 2018, 36(1): 1–18 (in Chinese).
[5] 史宏达, 王传崑. 我国海洋能技术的进展与展望[J]. 太阳能, 2017(3): 30–37. SHI H D, WANG C K. Progress and prospect of ocean energy technology in China[J]. Solar Energy, 2017(3): 30–37 (in Chinese).
[6] PÉREZ-COLLAZO C, GREAVES D, IGLESIAS G. A review of combined wave and offshore wind energy[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 42: 141–153. doi: 10.1016/j.rser.2014.09.032
[7] JIANG B, HOU E, GAO Z, et al. Resource assessment for combined offshore wind and wave energy in China[J]. Science China Technological Sciences, 2023, 66(9): 2530–2548. doi: 10.1007/s11431-022-2227-2
[8] 路晴, 史宏达. 中国波浪能技术进展与未来趋势[J]. 海岸工程, 2022, 41(1): 1–12. LU Q, SHI H D. Progress and future trend of wave energy technology in China[J]. Coastal Engineering, 2022, 41(1): 1–12 (in Chinese).
[9] RODDIER D, CERMELLI C, AUBAULT A, et al. WindFloat: A floating foundation for offshore wind turbines[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2010, 2(3): 033104. doi: 10.1063/1.3435339
[10] AUBAULT A, ALVES M, SARMENTO A, et al. Modeling of an oscillating water column on the floating foundation WindFloat[C]//Proceedings of the ASME 2011 30th International Conference on Ocean. Volume 5: Ocean Space Utilization ; Ocean Renewable Energy. New York: ASME, 2011: 235-246.
[11] SARMIENTO J, ITURRIOZ A, AYLLÓN V, et al. Experimental modelling of a multi-use floating platform for wave and wind energy harvesting[J]. Ocean Engineering, 2019, 173: 761–773. doi: 10.1016/j.oceaneng.2018.12.046
[12] ZHANG D H, CHEN Z, LIU X D, et al. A coupled numerical framework for hybrid floating offshore wind turbine and oscillating water column wave energy converters[J]. Energy Conversion and Management, 2022, 267: 115933. doi: 10.1016/j.enconman.2022.115933
[13] ABAZARI A. Dynamic response of a combined Spar-type FOWT and OWC-WEC by a simplified approach[J]. Renewable Energy Research and Applications, 2023, 4(1): 66–77.
[14] JONKMAN J. Definition of the floating system for phase IV of OC3: NREL/TP-500-47535[R]. Golden, Colorado: NREL, 2010.
[15] FENU B, BONFANTI M, BARDAZZI A, et al. Experimental investigation of a multi-OWC wind turbine floating platform[J]. Ocean Engineering, 2023, 281: 114619. doi: 10.1016/j.oceaneng.2023.114619
[16] HAJI M N, KLUGER J M, SAPSIS T P, et al. A symbiotic approach to the design of offshore wind turbines with other energy harvesting systems[J]. Ocean Engineering, 2018, 169: 673–681. doi: 10.1016/j.oceaneng.2018.07.026
[17] ZHOU Y, NING D Z, CHEN L F, et al. Experimental investigation on an OWC wave energy converter integrated into a floating offshore wind turbine[J]. Energy Conversion and Management, 2023, 276: 116546. doi: 10.1016/j.enconman.2022.116546
[18] ABOUTALEBI P, M'ZOUGHI F, GARRIDO I, et al. Performance analysis on the use of oscillating water column in barge-based floating offshore wind turbines[J]. Mathematics, 2021, 9(5): 475. doi: 10.3390/math9050475
[19] LI L, RUZZO C, COLLU M, et al. Analysis of the coupled dynamic response of an offshore floating multi-purpose platform for the blue economy[J]. Ocean Engineering, 2020, 217: 107943. doi: 10.1016/j.oceaneng.2020.107943
[20] O'SULLIVAN K. Feasibility of combined wind-wave energy platforms[D]. Cork: University College Cork, 2014.
[21] MURAI M, MOCHIDUKI R. Study on motion response of a floating offshore turbines' unit with OWC[C]//Proceedings of the 14th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures-Volume 3. [S. 1. ] : Springer, 2019: 707-731.
[22] SOULARD T, BABARIT A, BORGARINO B, et al. C-HyP: a combined wind and wave energy platform with balanced contributions[C]//Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering-Volume 8: Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2013.
[23] KARIMIRAD M. Offshore energy structures: for wind power, wave energy and hybrid marine platforms[M]. 1st ed. Cham: Springer International Publishing , 2014.
[24] MULIAWAN M J, KARIMIRAD M, MOAN T, et al. STC (Spar-Torus combination): a combined Spar-type floating wind turbine and large point absorber floating wave energy converter — promising and challenging[C]//Proceedings of the ASME 2013 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering-Volume 7: Ocean Space Utilization, Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2012.
[25] MULIAWAN M J, KARIMIRAD M, MOAN T. Dynamic response and power performance of a combined Spar-type floating wind turbine and coaxial floating wave energy converter[J]. Renewable Energy, 2013, 50: 47–57. doi: 10.1016/j.renene.2012.05.025
[26] MULIAWAN M J, KARIMIRAD M, GAO Z, et al. Extreme responses of a combined Spar-type floating wind turbine and floating wave energy converter (STC) system with survival modes[J]. Ocean Engineering, 2013, 65: 71–82. doi: 10.1016/j.oceaneng.2013.03.002
[27] WAN L, GAO Z, MOAN T, et al. Comparative experimental study of the survivability of a combined wind and wave energy converter in two testing facilities[J]. Ocean Engineering, 2016, 111: 82–94. doi: 10.1016/j.oceaneng.2015.10.045
[28] WAN L, GAO Z, MOAN T. Experimental and numerical study of hydrodynamic responses of a combined wind and wave energy converter concept in survival modes[J]. Coastal Engineering, 2015, 104: 151–169. doi: 10.1016/j.coastaleng.2015.07.001
[29] WAN L, GAO Z, MOAN T, et al. Experimental and numerical comparisons of hydrodynamic responses for a combined wind and wave energy converter concept under operational conditions[J]. Renewable Energy, 2016, 93: 87–100. doi: 10.1016/j.renene.2016.01.087
[30] REN N X, GAO Z, MOAN T. Long-term performance estimation of the Spar–Torus-Combination (STC) system with different survival modes[J]. Ocean Engineering, 2015, 108: 716–728. doi: 10.1016/j.oceaneng.2015.08.013
[31] REN N X, GAO Z, MOAN T. Long-term stochastic dynamic analysis of a combined floating Spar-type wind turbine and wave energy converter (STC) system for mooring fatigue damage and power prediction[C]// Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering-Volume 9A: Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2014.
[32] ZHOU B Z, ZHENG Z, HU J J, et al. Annual performance and dynamic characteristics of a hybrid wind-wave floating energy system at a localized site in the North Sea[J]. Ocean Engineering, 2023, 280: 114872. doi: 10.1016/j.oceaneng.2023.114872
[33] ZHOU B Z, ZHENG Z, HONG M wen, et al. Dynamic and power generation features of a wind–wave hybrid system consisting of a Spar-type wind turbine and an annular wave energy converter in irregular waves[J]. China Ocean Engineering, 2023, 37(6): 923–933. doi: 10.1007/s13344-023-0077-4
[34] CHENG Z S, WEN T R, ONG M C, et al. Power performance and dynamic responses of a combined floating vertical axis wind turbine and wave energy converter concept[J]. Energy, 2019, 171: 190–204. doi: 10.1016/j.energy.2018.12.157
[35] WANG Y P, ZHANG L X, MICHAILIDES C, et al. Hydrodynamic response of a combined wind–wave marine energy structure[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2020, 8(4): 253. doi: 10.3390/jmse8040253
[36] WANG Y P, SHI W, MICHAILIDES C, et al. WEC shape effect on the motion response and power performance of a combined wind-wave energy converter[J]. Ocean Engineering, 2022, 250: 111038. doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.111038
[37] LEE C F, TAVARES V D S, ONG M C. Two-body dynamic simulations of a combined semi-submersible floating offshore wind turbine and torus wave energy converter[C]//Proceedings of the IOP Fourth Conference of Computational Methods and Ocean Technology: Materials Science and Engineering. Red Hook, NY: Curran Associates, Inc. , 2023, 1294(1): 012007
[38] TIAN W J, WANG Y P, SHI W, et al. Numerical study of hydrodynamic responses for a combined concept of semisubmersible wind turbine and different layouts of a wave energy converter[J]. Ocean Engineering, 2023, 272: 113824. doi: 10.1016/j.oceaneng.2023.113824
[39] LEE H, POGULURI S K, BAE Y H. Performance analysis of multiple wave energy converters placed on a floating platform in the frequency domain[J]. Energies, 2018, 11(2): 406. doi: 10.3390/en11020406
[40] ZHOU B Z, HU J J, JIN P, et al. Power performance and motion response of a floating wind platform and multiple heaving wave energy converters hybrid system[J]. Energy, 2023, 265: 126314. doi: 10.1016/j.energy.2022.126314
[41] HU J J, ZHOU B Z, VOGEL C, et al. Optimal design and performance analysis of a hybrid system combing a floating wind platform and wave energy converters[J]. Applied Energy, 2020, 269: 114998. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.114998
[42] ZHOU B Z, HU J J, ZHANG Q, et al. Optimal design and performance analysis of a hybrid system combining a semi-submersible wind platform and point absorbers[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2023, 11(6): 1190. doi: 10.3390/jmse11061190
[43] CHEN M, XIAO P, ZHOU H, et al. Fully coupled analysis of an integrated floating wind-wave power generation platform in operational sea-states[J]. Frontiers in Energy Research, 2022, 10.
[44] ZHU K, SHI H D, ZHENG S M, et al. Hydrodynamic analysis of hybrid system with wind turbine and wave energy converter[J]. Applied Energy, 2023, 350: 121745. doi: 10.1016/j.apenergy.2023.121745
[45] ZHOU M R, PAN Y X, REN N X, et al. Operational performance of a combined TLP-type floating wind turbine and heave-type floating wave energy converter system[C]//Proceedings of the 2nd 2016 International Conference on Sustainable Development (ICSD 2016). Amsterdam: Atlantis Press, 2017.
[46] REN N, MA Z, SHAN B, et al. Experimental and numerical study of dynamic responses of a new combined TLP type floating wind turbine and a wave energy converter under operational conditions[J]. Renewable Energy, 2020, 151: 966–974. doi: 10.1016/j.renene.2019.11.095
[47] WINDT C, DAVIDSON J, RANSLEY E J, et al. Validation of a CFD-based numerical wave tank model for the power production assessment of the wavestar ocean wave energy converter[J]. Renewable Energy, 2020, 146: 2499–2516. doi: 10.1016/j.renene.2019.08.059
[48] RANSLEY E J, GREAVES D M, RABY A, et al. RANS-VOF modelling of the wavestar point absorber[J]. Renewable Energy, 2017, 109: 49–65. doi: 10.1016/j.renene.2017.02.079
[49] JAKOBSEN M M, BEATTY S, IGLESIAS G, et al. Characterization of loads on a hemispherical point absorber wave energy converter[J]. International Journal of Marine Energy, 2016, 13: 1–15. doi: 10.1016/j.ijome.2016.01.003
[50] KARIMIRAD M, KOUSHAN K. WindWEC: combining wind and wave energy inspired by hywind and wavestar[C]//Proceedings of the 2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). New York: IEEE, 2016: 96-101.
[51] DERAKHSHAN S, MOGHIMI M, MOTAWEJ H. Development of a mathematical model to design an offshore wind and wave hybrid energy system[J]. Energy Equip. Sys., 2018, 6(2): 181–200.
[52] GHAFARI H R, NEISI A, GHASSEMI H, et al. Power production of the hybrid wavestar point absorber mounted around the Hywind spar platform and its dynamic response[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2021, 13(3): 033308.
[53] GHAFARI H R, GHASSEMI H, ABBASI A, et al. Novel concept of hybrid wavestar- floating offshore wind turbine system with rectilinear arrays of WECs[J]. Ocean Engineering, 2022, 262: 112253. doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.112253
[54] GHAFARI H R, GHASSEMI H, NEISI A. Power matrix and dynamic response of the hybrid wavestar-DeepCwind platform under different diameters and regular wave conditions[J]. Ocean Engineering, 2022, 247: 110734. doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.110734
[55] GHAFARI H R, GHASSEMI H, HE G. Numerical study of the wavestar wave energy converter with multi-point-absorber around DeepCwind semisubmersible floating platform[J]. Ocean Engineering, 2021, 232: 109177. doi: 10.1016/j.oceaneng.2021.109177
[56] JIN P, ZHENG Z, ZHOU Z, et al. Optimization and evaluation of a semi-submersible wind turbine and oscillating body wave energy converters hybrid system[J]. Energy, 2023, 282: 128889. doi: 10.1016/j.energy.2023.128889
[57] DA SILVA L S P, SERGIIENKO N Y, CAZZOLATO B, et al. Dynamics of hybrid offshore renewable energy platforms: Heaving point absorbers connected to a semi-submersible floating offshore wind turbine[J]. Renewable Energy, 2022, 199: 1424–1439. doi: 10.1016/j.renene.2022.09.014
[58] ZHANG Z, CHEN X, WU H, et al. Numerical study of a novel hybrid system with the wavestar wave energy converter array and a SPIC semi-submersible floating platform[J]. Journal of Cleaner Production, 2023, 407: 137178. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.137178
[59] WU H, ZHU F, YUAN Z. Effects of the WEC shape on the performance of a novel hybrid WEC-FOWT system[J]. Energy, 2024, 288: 129907. doi: 10.1016/j.energy.2023.129907
[60] KAMARLOUEI M, GASPAR J F, CALVARIO M, et al. Experimental analysis of wave energy converters concentrically attached on a floating offshore platform[J]. Renewable Energy, 2020, 152: 1171–1185. doi: 10.1016/j.renene.2020.01.078
[61] KHATIBANI M J, KETABDARI M J. Numerical modeling of an innovative hybrid wind turbine and WEC systems performance: a case study in the Persian Gulf[J/OL]. Journal of Ocean Engineering and Science. (2022-05-10)[2024-06-11]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468013322001309.
[62] CHEN W, GAO F, MENG X, et al. W2P: A high-power integrated generation unit for offshore wind power and ocean wave energy[J]. Ocean Engineering, 2016, 128: 41–47. doi: 10.1016/j.oceaneng.2016.10.017
[63] KLUGER J M, SLOCUM A H, SAPSIS T P. A first-order dynamics and cost comparison of wave energy converters combined with floating wind turbines[C]//Proceedings of the Twenty-seventh (2017) International Ocean and Polar Engineering Conference. Cupertino: International Society of Offshore and Polar Engineers (ISOPE): 2017.
[64] PEIFFER A, RODDIER D, AUBAULT A. Design of a point absorber inside the WindFloat structure[C]//Proceedings of the ASME 2011 30th International Conference on Ocean-Volume 5: Ocean Space Utilization, Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2011: 247-255.
[65] SOULARD T, BABARIT A, BORGARINO B. Preliminary assessment of a semi-submersible floating wind turbine combined with pitching wave energy converters[C]//Proceedings of the 10th European Wave and Tidal Energy Conference (EWTEC2013).[S.1.]: Technical Committee of the European Wave and Tidal Energy Conference (EWTEC), 2013.
[66] MICHAILIDES C, LUAN C, GAO Z, et al. Effect of flap type wave energy converters on the response of a semi-submersible wind turbine in operational conditions[C]//Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering-Volume 9B: Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2014.
[67] LUAN C Y, MICHAILIDES C, GAO Z, et al. Modeling and analysis of a 5 MW semi-submersible wind turbine combined with three flap-type wave energy converters[C]//Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering-Volume 9B: Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2014.
[68] MICHAILIDES C, GAO Z, MOAN T. Experimental and numerical study of the response of the offshore combined wind/wave energy concept SFC in extreme environmental conditions[J]. Marine Structures, 2016, 50: 35–54. doi: 10.1016/j.marstruc.2016.06.005
[69] GAO Z, MOAN T, WAN L, et al. Comparative numerical and experimental study of two combined wind and wave energy concepts[J]. Journal of Ocean Engineering and Science, 2016, 1(1): 36–51. doi: 10.1016/j.joes.2015.12.006
[70] WANG S J, YUAN P, LI D, et al. An overview of ocean renewable energy in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(1): 91–111. doi: 10.1016/j.rser.2010.09.040
[71] MOHAN KUMAR P, SIVALINGAM K, LIM T C, et al. Review on the evolution of Darrieus vertical axis wind turbine: large wind turbines[J]. Clean Technologies, 2019, 1(1): 205–223. doi: 10.3390/cleantechnol1010014
[72] MA Y, HU C, ZHOU B H, et al. Hydrodynamic analysis of a semi-submersible wind-tidal combined power generation device[J]. Journal of Marine Science and Application, 2019, 18(1): 72–81. doi: 10.1007/s11804-019-00073-x
[73] YANG Y, BASHIR M, WANG J, et al. Performance evaluation of an integrated floating energy system based on coupled analysis[J]. Energy Conversion and Management, 2020, 223: 113308. doi: 10.1016/j.enconman.2020.113308
[74] YANG Y, FU J B, SHI Z B, et al. Performance and fatigue analysis of an integrated floating wind-current energy system considering the aero-hydro-servo-elastic coupling effects[J]. Renewable Energy, 2023, 216: 119111. doi: 10.1016/j.renene.2023.119111
[75] YANG Y, SHI Z, FU J B, et al. Effects of tidal turbine number on the performance of a 10 MW-class semisubmersible integrated floating wind-current system[J]. Energy, 2023, 285: 128789. doi: 10.1016/j.energy.2023.128789
[76] LI L, GAO Y, YUAN Z M, et al. Dynamic response and power production of a floating integrated wind, wave and tidal energy system[J]. Renewable Energy, 2018, 116, Part A: 412−422.
[77] LI L, CHENG Z S, YUAN Z M, et al. Short-term extreme response and fatigue damage of an integrated offshore renewable energy system[J]. Renewable Energy, 2018, 126: 617–629. doi: 10.1016/j.renene.2018.03.087
[78] LI L, YUAN Z M, GAO Y, et al. Investigation on long-term extreme response of an integrated offshore renewable energy device with a modified environmental contour method[J]. Renewable Energy, 2019, 132: 33–42. doi: 10.1016/j.renene.2018.07.138
[79] 王德茂. 波浪能风能的联合发电装置[J]. 能源技术, 2001(4): 165–166. WANG D M. A synthetic uilization of wave energy and wind energy[J]. Energy technology, 2001(4): 165–166 (in Chinese).
[80] MICHAELIS D. Energy island[C]//Proceedings of the Oceans 2003. Celebrating the Past. Teaming Toward the Future (IEEE Cat. No. 03CH37492). New York: IEEE, 2003: 2294-2302 Vol. 4.
[81] 刘圣冠, 贺凯, 万小艳, 等. 一种新型的海上浪风光综合发电船[J]. 海岸工程, 2016, 35(4): 58–62. LIU S G, HE K, WAN X Y, et al. A new type of wave, wind and solar integrated power generation ship[J]. Coastal Engineering, 2016, 35(4): 58–62 (in Chinese).
[82] 巫明茂. 海上发电平台的设计与研究——海风、海浪、海流能量同时收集并同步耦合发电技术[C/OL]//第二届中国海洋可再生能源发展年会暨论坛论文集. 北京: 万方数据, 2013: 435-439 [2014-05-04] . https://d.wanfangdata.com.cn/conference/8124776. WU M M. Design and research of offshore power generation platform-sea breeze, waves, current energy collection and synchronous coupling power generation technology [C]//Proceedings of the Second China Marine Renewable Energy Development Annual Conference and Forum. Beijing: Wangfan Data, 2013 : 435−439 [2014-05-04] . https://d.wanfangdata.com.cn/conference/8124776(in Chinese).
[83] 郑松根. 浮摆式波浪发电平台系泊系统设计及其稳定性分析[D]. 厦门: 集美大学, 2016. ZHEN S G. Mooring system design and stability analysis of the floating and pendular type wave power platform[D]. Xiamen: Jimei University, 2016 (in Chinese).
[84] 浙大宁波理工学院机电与能源工程学院. 我校承担的宁波市首个海洋可再生能源专项资金项目取得阶段性成果−浙大宁波理工学院[EB/OL]. (2013-09-22)[2024-01-24]. https://www.nbt.edu.cn/info/1013/5238.htm. School of Mechanical and Electrical Engineering, NingboTech University . The first marine renewable energy special fund project undertaken by our school has achieved phased results - NingboTech University[EB/OL]. (2013-09-22)[2024-01-24]. https://www.nbt.edu.cn/info/1013/5238.htm(in Chinese).
[85] 申玉. 应用于网箱养殖的多能互补发电系统的研究[D]. 上海: 上海海洋大学, 2020. SHEN Y. Research on multi-energy hybrid power generation system applied to cage culture [D]. Shanghai: Shanghai Ocean University. 2020(in Chinese).
[86] 李宇萌. 基于半潜平台的新型风浪能联合利用装置的耦合动力响应研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2022. LI Y M. Study on coupling dynamic responses of a new wind and wave combined utilization device based on semi-submersible platform [D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2022 (in Chinese).
[87] 纪德恒. 海上风浪能耦合互补发电平台研究[D]. 青岛: 山东科技大学, 2018. JI D H. Research of wind-wave energy coupling complementary generation platform [D]. Qingdao: Shangdong University of Science and Technology. 2018 (in Chinese).
[88] 贾西贝. 浪流联合发电装置水动力性能分析及优化[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2021. JIA X B. Analysis and optimization of hydrodynamic performance of combined wave and current power generation device [D]. Harbin : Harbin Engineering University, 2021 (in Chinese).
[89] 高杰. 潮流能风能互补发电装置载荷及运动响应研究[D]. 舟山: 浙江海洋大学, 2017. GAO J. Study on load and motion response of tidal current energy wind energy complementary power generation device[D]. Zhoushan: Zhejiang Ocean University, 2017 (in Chinese).
[90] ZHU K, SHI H D, TAO J, et al. Analytical study on hydrodynamic performance of co-located offshore wind–solar farms[J]. Physics of Fluids, 2024, 36(1): 013325. doi: 10.1063/5.0187178
[91] SKOPLAKI E, PALYVOS J A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: a review of efficiency/power correlations[J]. Solar Energy, 2009, 83(5): 614–624. doi: 10.1016/j.solener.2008.10.008
[92] LAWRENCE C, KAMUYU W, LIM J R, et al. Prediction model of photovoltaic module temperature for Power Performance of Floating PVs[J]. Energies, 2018, 11(2): 447. doi: 10.3390/en11020447
[93] TRAPANI K, MILLAR D L, SMITH H C M. Novel offshore application of photovoltaics in comparison to conventional marine renewable energy technologies[J]. Renewable Energy, 2013, 50: 879–888. doi: 10.1016/j.renene.2012.08.043
[94] 胡志强. 浮式风机动力响应分析关键技术综述[J]. 船舶与海洋工程, 2020, 36(6): 1–13. HU Z Q. A review on the key technologies of dynamic response prediction of floating offshore wind turbines[J]. Naval Architecture And Ocean Engineering, 2020, 36(6): 1–13 (in Chinese).
[95] YUAN Z, JIANG J, ZANG J, et al. A fast two-dimensional numerical method for the wake simulation of a vertical axis wind turbine[J]. Energies, 2021, 14(1): 49.
[96] MAJDI NASAB N. A feasibility study of a hybrid power generation system using offshore-wind turbine and tidal turbine[D]. Auckland: Auckland University of Technology, 2022.
[97] CELIK I. RANS/LES/DES/DNS: The future prospects of turbulence modeling[J]. Journal of Fluids Engineering, 2005, 127(5): 829–830. doi: 10.1115/1.2033011
[98] SØRENSEN J N, SHEN W Z. Numerical modeling of wind turbine wakes[J]. Journal of Fluids Engineering, 2002, 124(2): 393–399. doi: 10.1115/1.1471361
[99] VERMEER L J, SØRENSEN J N, CRESPO A. Wind turbine wake aerodynamics[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2003, 39(6): 467–510.
[100] LU H, PORTÉ-AGEL F. Large-eddy simulation of a very large wind farm in a stable atmospheric boundary layer[J]. Physics of Fluids, 2011, 23(6): 065101. doi: 10.1063/1.3589857
[101] 万德成, 程萍, 黄扬, 等. 海上浮式风机气动力−水动力耦合分析研究进展[J]. 力学季刊, 2017, 38(3): 385–407. WAN D C, CHENG P, HUANG Y, et al. Overview of study on aero- and hydro-dynamic interaction for floating offshore wind turbines[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2017, 38(3): 385–407(in Chinese).
[102] AHAMED R, MCKEE K, HOWARD I. Advancements of wave energy converters based on power take off (PTO) systems: A review[J]. Ocean Engineering, 2020, 204: 107248. doi: 10.1016/j.oceaneng.2020.107248
[103] LI X F, CHEN C A, LI Q F, et al. A compact mechanical power take-off for wave energy converters: design, analysis, and test verification[J]. Applied Energy, 2020, 278: 115459. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.115459
[104] MUELLER M A, BAKER N J. Direct drive electrical power take-off for offshore marine energy converters[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2005, 219(3): 223–234. doi: 10.1243/095765005X7574
[105] LIN Y G, BAO J W, LIU H W, et al. Review of hydraulic transmission technologies for wave power generation[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 50: 194–203. doi: 10.1016/j.rser.2015.04.141
[106] GASPAR J F, CALVÁRIO M, KAMARLOUEI M, et al. Power take-off concept for wave energy converters based on oil-hydraulic transformer units[J]. Renewable Energy, 2016, 86: 1232–1246. doi: 10.1016/j.renene.2015.09.035
[107] JUSOH M A, IBRAHIM M Z, DAUD M Z, et al. Hydraulic power take-off concepts for wave energy conversion system: a review[J]. Energies, 2019, 12(23): 4510. doi: 10.3390/en12234510
[108] ZHANG D H, LI W, LIN Y G, et al. An overview of hydraulic systems in wave energy application in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(7): 4522–4526. doi: 10.1016/j.rser.2012.04.005
[109] SRICHARAN V V S, CHANDRASEKARAN S. Time-domain analysis of a bean-shaped multi-body floating wave energy converter with a hydraulic power take-off using WEC-Sim[J]. Energy, 2021, 223: 119985. doi: 10.1016/j.energy.2021.119985
[110] LIU C H, YANG Q J, BAO G. Influence of hydraulic power take-off unit parameters on power capture ability of a two-raft-type wave energy converter[J]. Ocean Engineering, 2018, 150: 69–80. doi: 10.1016/j.oceaneng.2017.12.063
[111] WANG Y Z, HUANG S T, XUE G, et al. Influence of hydraulic PTO parameters on power capture and motion response of a floating wind-wave hybrid system[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2022, 10(11): 1660. doi: 10.3390/jmse10111660
[112] MORISON J R, JOHNSON J W, SCHAAF S A. The force exerted by surface waves on piles[J]. Journal of Petroleum Technology, 1950, 2(5): 149–154. doi: 10.2118/950149-G
[113] TAGLIAFIERRO B, KARIMIRAD M, ALTOMARE C, et al. Numerical validations and investigation of a semi-submersible floating offshore wind turbine platform interacting with ocean waves using an SPH framework[J]. Applied Ocean Research, 2023, 141: 103757. doi: 10.1016/j.apor.2023.103757
[114] TAN Z, SUN P N, LIU N N, et al. SPH simulation and experimental validation of the dynamic response of floating offshore wind turbines in waves[J]. Renewable Energy, 2023, 205: 393–409. doi: 10.1016/j.renene.2023.01.081
[115] WANG L, ROBERTSON A, JONKMAN J, et al. OC6 Phase Ia: CFD simulations of the free-decay motion of the DeepCwind semisubmersible[J]. Energies, 2022, 15(1): 389. doi: 10.3390/en15010389
[116] WANG L, ROBERTSON A, JONKMAN J, et al. OC6 Phase Ib: Validation of the CFD predictions of difference-frequency wave excitation on a FOWT semisubmersible[J]. Ocean Engineering, 2021, 241: 110026. doi: 10.1016/j.oceaneng.2021.110026
[117] YI Y, SUN K, LIU Y Q, et al. Experimental and CFD assessment of harmonic characteristics of point-absorber wave-energy converters with nonlinear power take-off system[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2023, 11(10): 1860. doi: 10.3390/jmse11101860
[118] 周斌珍, 胡俭俭, 谢彬, 等. 风浪联合发电系统水动力学研究进展[J]. 力学学报, 2019, 51(6): 1641–1649. ZHOU B Z, HU J J, XIE B, et al. Research progress in hydrodynamics of wind-wave combined power generation system[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics., 2019, 51(6): 1641–1649 (in Chinese).
[119] 程萍. 浮式风机气动−水动耦合复杂流场数值模拟[D]. 上海交通大学, 2019. CHENG P. Numerical simulation of complex flows around floating offshore wind turbine in winds and waves[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2019 (in Chinese).
[120] LUO W P, LIU W Q, YANG M, et al. Load characteristics and extreme response of straight-bladed floating VAWT using a fully coupled model[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2023, 11(1): 185. doi: 10.3390/jmse11010185
[121] ZHANG L J, LI Y, XU W H, et al. Systematic analysis of performance and cost of two floating offshore wind turbines with significant interactions[J]. Applied Energy, 2022, 321: 119341. doi: 10.1016/j.apenergy.2022.119341
[122] NAVARRO DIAZ G P, OTERO A D, ASMUTH H, et al. Actuator line model using simplified force calculation methods[J]. Wind Energy Science, 2023, 8(3): 363–382. doi: 10.5194/wes-8-363-2023
[123] LIU L Q, FRANCESCHINI L, OLIVEIRA D F, et al. Evaluating the accuracy of the actuator line model against blade element momentum theory in uniform inflow[J]. Wind Energy, 2022, 25: 1046–1059. doi: 10.1002/we.2714
[124] STANLY R, MARTÍNEZ-TOSSAS L A, FRANKEL S H, et al. Large-eddy simulation of a wind turbine using a filtered actuator line model[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2022, 222: 104868. doi: 10.1016/j.jweia.2021.104868
[125] HOSSEINI S A, KARLIN I V. Lattice Boltzmann for non-ideal fluids: fundamentals and practice[J]. Physics Reports, 2023, 1030: 1–137. doi: 10.1016/j.physrep.2023.07.003
[126] CASALINO D, ROMANI G, ZHANG R, et al. Lattice-Boltzmann calculations of rotor aeroacoustics in transitional boundary layer regime[J]. Aerospace Science and Technology, 2022, 130: 107953. doi: 10.1016/j.ast.2022.107953
[127] Cummins W E. The impulse response function and ship motions[J]. Schiffstechnik, 1962, 9: 101–109.
[128] MICHELE S, RENZI E, PEREZ-COLLAZO C, et al. Power extraction in regular and random waves from an OWC in hybrid wind-wave energy systems[J]. Ocean Engineering, 2019, 191: 106519. doi: 10.1016/j.oceaneng.2019.106519
[129] AHMAD I, M'ZOUGHI F, ABOUTALEBI P, et al. A regressive machine-learning approach to the non-linear complex FAST model for hybrid floating offshore wind turbines with integrated oscillating water columns[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1): 1499. doi: 10.1038/s41598-023-28703-z
[130] TENG B, TAYLOR R E. New higher-order boundary element methods for wave diffraction/radiation[J]. Applied Ocean Research, 1995, 17(2): 71–77. doi: 10.1016/0141-1187(95)00007-N
[131] SOULARD T, BABARIT A. Numerical assessment of the mean power production of a combined wind and wave energy platform[C]//Proceedings of the ASME 2012 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE2012- Volume 7: Ocean Space Utilization; Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2012: 413-423.
[132] YAZDI H, GHAFARI H R, GHASSEMI H, et al. Wave power extraction by Multi-Salter's duck WECs arrayed on the floating offshore wind turbine platform[J]. Energy, 2023, 278: 127930. doi: 10.1016/j.energy.2023.127930
[133] BACHYNSKI E E, MOAN T. Point absorber design for a combined wind and wave energy converter on a tension-leg support structure[C]//Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering- Volume 8: Ocean Renewable Energy. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2013.
[134] CRESPO A, TAGLIAFIERRO B, MARTÍNEZ-ESTÉVEZ I, et al. On the state-of-the-art of CFD simulations for wave energy converters within the open-source numerical framework of DualSPHysics [C]//Proceedings of the15th European Wave and Tidal Energy Conference (EWTEC 2023). Bilbao, Spain: [s.n.] 2023, 15.
[135] ARCOS JIMÉNEZ A, GÓMEZ MUÑOZ C Q, GARCÍA MÁRQUEZ F P. Machine learning for wind turbine blades maintenance management[J]. Energies, 2018, 11(1): 13.