引言

海洋可再生能源，主要包括海上风能、波浪能和潮流能，具有远大的开发前景[1].图1～图3 分别给出了各装置代表图，图1 为西门子Gemasa 海上风机装置图，图2 为Power Buoy 波浪能装置图，图3 为SeaGen 型1.2 MW 潮流能发电装置图.近二十年来，海洋可再生能源的开发利用受到了全球范围的高度重视.党的“十九大”报告明确提出要提高海洋资源开发能力，国家《可再生能源中长期发展规划》指出要积极推进海洋能开发利用技术，这不仅有利于发展海洋经济、降低排放并改善环境，而且对管控和建设远离大陆的海岛有重大的战略意义.

波浪能和潮流能与目前比较成熟的海上风能相比，他们的转换和利用技术处于初步发展阶段，但21世纪以来，在节能减排意识的推动下进入了快速发展时期.尽管发展程度不同，海上风能和波浪能、潮流能所面临的海洋环境是大同小异的.

图1 西门子Gemasa 海上风机[2]Fig.1 Offshore wind turbine of siemens Gemasa[2]

图2 Power Buoy 波浪能装置[3]Fig.2 Power Buoy wave energy device[3]

图3 SeaGen 型1.2 MW 潮流能发电装置[4]Fig.3 Sea Gen 1.2 MW tidal energy device[4]

海洋可再生能源的开发需要有效利用各种自然资源，且降低安装成本，这使得多种能源的综合开发成为势在必行的趋势.将新的装置安装在现有的支撑结构和传输基础上，可以有效减少成本.在和海上风能结合方面，与潮流能相比，波浪能具有一定优势，比如风资源丰富的地点通常波浪资源也丰富.将波浪能装置与海上风机平台结合具有诸多好处[5-6]：首先，因为二者共享海洋空间，所以可以提高单位海域的能量产出；其次，二者共享系泊系统、电力基础设备和其他组件，因此，可以提高整体的经济效率；第三，海上风电波动性、间歇性、不规则性强、稳定性差，波浪能相对风能更稳定，因此，二者联合发电系统与单独的风电系统相比，可以减少其不工作的小时数；此外，由于波浪能装置吸收了海上风机平台附近的波浪能，改变了局部波浪场，在布置合理的情况下能有效地保护风机免受强浪冲击.

海上风能和波浪能的综合利用尚处于初级阶段.现有的研究资料主要集中在对风能和波浪能的能源综合利用评估方面[7-8]和传输电网的开发方面[9].另外一些文献集中在风波结合装置设计方面[10]，如挪威远洋能源公司开发了一种轻量的三角形半潜浮式平台W2Power，在平台上方安装两台相对转向的风机，并在平台三边下方悬吊多个点吸式波能装置，总发电功率可达10 MW，其中风机功率7 MW，波浪能装置功率3 MW (图4)[11]；丹麦波能机构开发的Wave Star 将波浪能装置安装在呈星形三个方向放射的固定式风机基础上，通过摆臂式浮子的上下运动带动一内置发电机实现电能转换[12](图5).诸多学者开展了海上浮式风机气动性能的理论和模型试验研究[13-15].本文主要关注风浪联合发电系统的水动力数值方法、实验方法以及优化控制技术.

图4 挪威的W2Power[11]Fig.4 W2Power in Norway[11]

图5 丹麦的Wave Star[12]Fig.5 Wave Star in Denmark[12]

将波浪能装置与海上风机平台结合，涉及到多浮体水动力问题的诸多方面，举例来说，在数值模拟方面，主要可分为线性方法、势流非线性方法和黏性方法[16]，线性方法又可分为频域和时域方法.而实验方法也各不相同.为更能系统地研究风浪联合发电系统的力学特性，结合现有文献，本文将简要介绍各种数值方法的基本理论、适用范围，从计算效率和计算精度方面对各种数值方法的优缺点进行对比分析，给出综合性的建议，为联合发电系统的水动力设计提供依据.另一方面，本文简单地阐述了水动力控制优化的技术原理与实验方法面临的主要科研难点，进一步为联合发电系统的水动力设计提供支撑.

1 势流方法

1.1 线性频域方法

势流方法可简单分为势流线性频域方法、线性时域方法和非线性方法.线性势流方法是目前多浮体水动力学中应用最广泛的方法，多浮体与波浪相互作用的水动力模型广泛采用边界元方法.

线性势流理论假设流体无旋、无黏、且不可压缩.在此假设下，流体力学基本方程大大简化.在此基础上，线性势流理论通过假定波幅和结构物运动幅值都是小量的情况下，将非线性边界条件进行摄动展开，自由水面和物面边界条件分别在平均自由水面和平均物面上满足.其中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，适用于风浪联合发电系统的初始优化设计.

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2020/1228/452.html

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