斋堂岛海域波浪能资源的数值模拟研究

近些年来,波浪能作为新型可再生能源日益受到人们的重视。波浪资源评估对于研发波浪能发电装置、为波浪发电场选址具有至关重要的作用,目前主要通过实地观测和数值模拟两种手段对波浪资源进行评估。本文利用第三代波浪模型对斋堂岛附近海域进行了数值模拟,分析了当地的波浪条件并对蕴藏的波浪能资源进行了初步评估,并对目标位置的波浪资源进行了详细地计算和分析。计算结果表明,斋堂岛海域波浪资源有着显著的季节变化特征,波浪集中分布在东–南方向,最大波能流密度可达25 k W/m,资源相对稳定。     

舟山海域波浪能开发利用方式的设想与展望

为充分开发舟山海洋波浪能源,结合舟山海域地理位置和波浪资源,在分析国内外波浪能源装置现状和发展水平的基础上,提出岸式、近岸式和离岸式波浪能源装置及资源综合利用的设想和展望,对舟山海域如何利用岛屿众多、外岛特征、波浪运动特性等优势,开发研究波浪能资源提供参考。     

半潜式多浮体波浪能发电装置的水动力性能分析

为缓解能源危机及环境恶化,加大对可再生能源的开发利用,本文将点吸收式与筏式波浪能转换技术相结合,提出一种半潜式多浮体波浪能发电装置。该装置主要由中央漂浮平台、振荡浮子、液压系统及驱动臂组成,将多个振荡浮子布放于海面上并采集波浪能。为了提高装置的波浪能采集效率,利用AQWA水动力仿真软件对波浪能发电装置进行建模仿真分析,改变模型中浮子的质量、尺寸及结构等参数进行频域计算并分析单个浮子的频域响应;同时对单个浮子及装置整体在波高为1 m,波浪周期分别为5 s和3 s的海况下的时域响应特点进行分析。结果表明：浮子吃水部分的几何形状对于浮子附加质量及波浪激励力影响较大;同时当浮子的直径为2 m且浮子结构为圆柱形时,浮子的垂荡振幅更大,说明在波浪频率较低时更有利于最大限度地捕获波浪能,提升装置整体效率;而对于波浪频率较高海域,应当适当增加浮子直径,减轻浮子重量,采用圆锥形浮子,从而更有利于浮子捕获波浪能。采用最优浮子结构后,装置的波浪能捕获宽度比提升约95%,说明选用合适的浮子结构能够有效地提升装置的波浪能采集效率。     

基于风浪和灰色模型的波浪能发电系统输出功率短期预测

波浪能具有随机波动性,会对波浪能发电并网以及电力系统的安全稳定产生重要影响,准确预测波浪能可为电力调度控制带来极大便利。提出基于风-浪和灰色模型的波浪能发电系统功率预测方法,在波功率历史数据不足或缺省的情况下,能够依据风浪相关性及风速历史数据有效预测波浪功率。首先分析了风与波浪的相关性和时延特性,建立风-浪经验模型对波高进行短期预测,并利用灰色GM(1,1)模型对波浪短期预测结果进行残差修正。在此基础上,基于直驱式波浪能发电系统分析并建立了波高-功率转换模型。通过实例分析对波浪能发电功率的预测结果进行了验证。     

越浪式波能发电装置的二维数值模拟研究

越浪式波能发电装置（Overtopping Wave Energy Convertor,OWEC）通过斜坡式引浪面将不稳定的波浪能转化为蓄水池内较为稳定的势能,进而带动出水管内水轮电机转动,产生电能。本文采用基于计算流体力学软件的二维数值模拟技术对该装置的越浪性能进行研究,通过构建基于水气两相VOF（Volume of Fluid）模型的二维数值波浪水槽,对斜坡式海堤的越浪性能进行模拟,数值计算结果与Saville等的试验值较为吻合,验证了该数值波浪水槽可用于越浪性能的研究。通过考察干舷高度、淹没深度等参数对越浪性能的影响,综合考虑越浪性能及低水头发电机的工作要求,最终给出优化的干舷高度、淹没深度尺寸。     

曲线坐标下近岸波浪破碎区污染物输运数值模型研究

由于近岸斜向入射波浪演变、破碎等效应而形成的近岸波流场是近岸海域重要的环境水动力因素,对近海污染物的输运起着显著的影响。本文建立了曲线坐标系下相耦合的基于抛物型缓坡方程的波浪传播数值模型、近岸流数值模型及近岸波流场中的污染物输运数值模型,以近岸波流场为动力基础对不规则岸线地形下近岸污染物的输移扩散进行了数值模拟研究。应用上述联合数值模型对近岸沿岸流作用下的污染物输移扩散进行了数值模拟验证分析,数值模拟效果良好。进而将数值模型应用于Gourlay物理模型实验,对该地形近岸流作用下的污染物输运进行了数值模拟分析,污染物分布数值结果与作为其动力基础的近岸波流场表现出良好的一致性。     

波浪发电系统发展及直驱式波浪发电系统研究综述

回顾了波浪能利用的历史和目前波浪能的发展应用现状,并按波浪能转换形式的不同对比分析了液压式、气压式、离合器齿轮箱式和直驱式波浪能发电装置的特点。对在离岸大功率并网应用中具有发展前景的直驱式波浪能转换装置进行了重点描述,分析了其结构组成以及优化功率捕获的控制方案,对直线发电机和优化功率的控制方案进行了总结和比较。结合电网对波浪发电机组的控制要求,对直驱波浪发电的输出功率波动处理方案进行了描述和分析。最后总结了波浪发电系统特别是直驱式波浪发电的发展趋势与应用前景。     

一种面向控制的振荡水柱波能装置等效数值模型EI北大核心CSCD

波浪能是海洋可再生能源中储量最为丰富的一种,而振荡水柱式(oscillating water column,OWC)波浪能发电装置是目前技术成熟度最高的波浪能装置类型之一。OWC数值模拟大部分基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,主要用于装置的结构参数优化设计及动力学响应分析。为提高OWC的数值计算效率,便于开展发电装置的控制设计与优化,提出一种面向控制的OWC波浪能装置等效数值模型,并完成不同工况下的水池试验验证。该数值模型基于线性势流理论和Cummins方法,将振荡水柱等效为和水同密度刚体,并将动力输出装置(power take-off,PTO)和黏性效应等效为线性阻尼系数。通过对比数值模拟和水池试验结果,可以发现该模型能较好地预测规则波、不规则波与不同PTO下的OWC自由液面及功率输出等动态特性。在此基础上,完成OWC装置闭锁控制设计,并对比分析OWC的俘能效率。研究发现,该等效数值模型可有效提高计算效率,能较准确地预测OWC自由液面动态过程及功率输出。     

波浪能转换装置中双浮子特性的数值研究

本文提出了以船形大浮子和陀螺形小浮子组合的双浮子波浪能发电试验平台,并针对陀螺形浮子展开了仿真研究。通过改变陀螺浮子的锥顶半径尺寸,建立了陀螺形浮子在波浪水平和竖直冲击作用下的受力和变形模型,分析了其对波浪的适应特性、功率特性以及效率特性,并对影响浮子受力和变形的关键参量进行了优化分析。仿真结果表明,陀螺形浮子作为漂浮式试验平台的波浪能捕获装置是合理的。     

复杂地形风场的风资源评估方法与展望

风资源评估作为风场建设的首要工作，其对风况预测的精确度直接关系到风电场整体发电量和经济效益的准确性预估与论证。本文从风资源的本质出发，以研究大气边界层湍流运动为基础，总结了复杂地形风场基于实地测风、风洞实验以及数值模拟的风资源评估方法，重点对数值模拟方法中不同计算精度的评估模式进行归纳梳理，并对各评估模式的理论依据与适用特点、优势与局限性进行客观评述，最后结合实际应用的需求，对复杂地形条件下高精度风资源评估方法的发展趋势进行了展望。     

近海可再生能源发电穿透功率极限计算研究

伴随着近海可再生能源的开发利用,大规模的近海风能、波浪能即将发电并网运行。基于概率潮流研究了风和波浪的相关性对于节点电压以及线路潮流分布的影响,提出了一种基于概率潮流的近海可再生能源发电穿透功率极限计算方法,计算中分析了风、浪发电的出力特性,并考虑了风和波浪的相关性,得到含有风和波浪联合发电系统的线路潮流分布,进一步运用随机规划理论和粒子群算法求解穿透功率极限。最后以IEEE 30系统算例验证了计算方法的有效性,并比较分析了风和波浪的相关性对于穿透功率极限计算的影响。     

多浮摆式采能装置的水动力学模拟

多浮摆式采能装置是利用多块浮摆采集波浪能的新型波浪能发电装置。文章基于三维频域势流理论,采用数值模拟方法计算了多浮摆和单浮摆的水动力性能,并分析了浮摆间距对多浮摆水动力性能的影响。结果表明,多浮摆间的相互作用会产生异于单浮摆的共振峰值,间距对多浮摆的水动力影响呈现先增大后减小的趋势。     

兴化湾波浪发电技术路线研究分析

介绍了目前福建兴化湾海域的相关特点,接着阐述了波浪能的相关技术路线,分析了各个技术路线特点,最终结合波浪能现有的技术特点和兴化湾海域的相关情况,阐述了直驱式更加适用于莆田兴化湾海域。根据目前直驱式波浪能发电的相关技术方案,指出了兴化湾波浪发电示范工程需解决的技术和工程应用问题,对于促进波浪能在应用工程示范落地具有重大意义。     

福建可门电厂的温排放数值模拟研究

针对深入平均的不可压缩流体的运动方程,运用分步杂交法进行数值离散,并结合可门电厂工程实际,对其附近海域的潮流场、温度场进行了数值模拟,潮流计算结果与该工程的原体观测资料进行了分析比较,获得了较满意的结果。     

近岸波浪模型MIKE21BW与SWASH的比较

波浪是滨海电厂等电力工程中需要考虑的主要水动力要素之一,为了实现近岸波要素的准确计算,目前多采用数值模拟的方式,在近岸,特别是工程区附近的波浪模拟中,多采用时域解析的波浪模型(以下简称时域波浪模型)来进行计算。本文选取了两个具有代表性的近岸时域波浪模型,分别是基于Boussinesq方程的MIKE21BW模型和基于非静压浅水方程的SWASH模型,对两个模型的理论基础、计算流程、计算效率、后处理等方面进行了简单的介绍和对比,以期为工程中模型的应用和选择提供参考。     

风暴潮过程中波浪对地形演变影响的数值研究

建立了一个波流耦合作用下泥沙输移的平面二维数值模型，以研究风暴潮过程中地形冲淤变化的规律及波浪的影响。水流和泥沙输运的模拟采用水沙耦合数值模型，以考虑强冲淤条件下地形变化与水流运动之间的相互作用。波浪场模拟采用SWAN模型，计算得到的波浪辐射应力输入水沙耦合数值模型实现波流耦合。采用建立的模型对风暴潮过程中近岸地形变化进行了分析，结果表明，波浪对地形演变的影响程度随着风暴潮潮位的增加而减小。当风暴潮潮位较小时，近潮汐通道处形成不对称的三角洲、入口处形成冲刷坑；当风暴潮潮位较高时，形成的三角洲不对称性较小。当风暴潮潮位升高，近岸水深与波长之比大于0.15时，波流耦合模型与不考虑波浪作用模型计算所得的地形变化的绝对误差为整体地形变化的5%，但前者计算时间增加了一倍，因此，波流耦合计算对于风暴潮潮位较低，近岸水深与波长之比小于0.15时具有重要意义。     

多点直驱式波浪能发电系统浮子阵列的模型分析及数值模拟

提出了一种新型多点阵列式波浪能发电装置,叙述了装置的工作原理。对该装置浮子阵列部分建立了数值模型,进行了相关参数设置及有限元网格划分。以数值模型为基础,分析讨论了不同波向时浮子阵列被布置成圆周式、双列式和单列式3种情况下的水动力响应特点以及浮子间距对各浮子波浪能吸收的影响。经研究发现,不同波向下,圆周式布放的浮子阵列的平均振幅最大,较少受到波浪传递方向的影响,同时,该方式下浮子间距为8~10 m时是最佳浮子距离。     

典型半潜式平台结构的微振子捕能特性研究北大核心CSCD

半潜式平台在海洋资源开发领域应用前景广阔,但存在平台设备能源供给不足的问题。本研究把常见的半潜式平台简化为三种典型的浮式基础,将波浪能发电装置集成至浮式基础,建立浮式基础与浮子耦合的运动方程,利用水动力仿真软件AQWA开展数值模拟和参数化分析,获得了波浪方向、浮式基础的截面形状、浮子直径以及浮子与浮式基础间距等因素对浮子捕能特性的影响规律。结果表明,四棱柱浮式基础在特定波浪方向下能够增强微阵列浮子的捕能效果,三棱柱浮式基础使微阵列浮子更好地适应各个方向的波浪激励,圆柱浮式基础以遮蔽效应为主,较大程度上减弱了浮子的捕能特性;不同波浪方向对四棱柱浮式基础、三棱柱浮式基础周围的浮子影响较大,而对基于圆柱浮式基础的微阵列浮子影响不大;通过增加浮子的直径以及浮子距圆柱浮式基础的距离,能够有效提高微阵列浮子平均输出功率。本研究可为半潜式平台与波浪能发电装置的集成提供参考。     

基于WRF-Windsim中微尺度耦合技术的风资源精细化评估研究

常规风资源评估方法较多采用假设入流风廓线的微尺度模型,较少考虑风电场内风流动受宏观大气环流影响的问题,基于中尺度数值天气预报模式(weather research forecast,WRF)和微尺度计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模型,探究中微尺度耦合的风资源精细化评估方法的内在逻辑和工程应用的适用性。首先,在理论原理的研究基础上,构建从WRF模拟结果中提取微尺度建模计算边界附近风速廓线的方法;其次,在CFD软件Windsim中通过网格嵌套实现边界层内的降尺度模拟,建立WRF-Windsim的中微尺度耦合模型;最后,以宁夏海原某复杂地形风电场为实例开展水平分辨率35 m×35 m的风资源数值模拟实验,采用多测风塔互推对WRF-Windsim的模拟数据进行验证分析,并完成风资源图谱绘制和发电量测算。计算结果显示,WRF模拟结果可以有效改善优化微尺度CFD的入流边界条件,降低风资源评估的误差。     

并网AWS波浪发电场等效建模

提出了阿基米德波浪摆(AWS)发电场的等效建模方法,重点研究波浪力输入等效。提出基于波浪最大能量捕获控制策略下AWS波浪力输入和输出有功功率之间的稳态关系,由于等效前后的发电场输出有功功率应该相等,在规则波浪和不规则波浪2种情况下,反推获得等效模型的波浪力输入,同时计及功率补偿。搭建了波浪能发电场详细模型,并将其等效为一台AWS波浪能发电单元。仿真结果表明,单机等效模型的稳态有功输出和故障时动态响应均与详细模型高度吻合。