《Renewable Energy》：Performance and multi-objective optimization of a ship-integrated internal wave energy conversion system
编辑推荐：
本研究针对集装箱船集成内部波浪能量转换系统，开发全耦合时间域模型并验证其准确性，分析定常波和南海不规则波条件下的性能，通过多目标优化平衡能量捕获与机械载荷，证明该集成方案在减排和能源效率提升上的可行性。
郭新海|刘瑶|杨荣伟|张新树
上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海，200240，中国
摘要
船载波浪能转换器提供了一种有前景的解决方案，可以在不改变外部船体几何形状的情况下实现船上可再生能源的发电。本研究探讨了一种集成在集装箱船内的内部升降振荡器波浪能转换系统。开发了一个完全耦合的时域数学模型，用于描述船舶运动、内部动力提取系统与入射波之间的动态相互作用。该模型通过实验船舶运动数据进行了验证，显示出良好的准确性和计算效率。在规则波条件下，研究了该耦合系统的稳态性能，重点关注了波周期、波方向和前进速度的影响。结果表明，在24节的服务速度下，前进速度显著改变了波浪遭遇特性，并将最佳能量捕获条件转移到了船首和近船梁区域。参数分析进一步表明，动力提取系统的阻尼和刚度对能量捕获效率有显著影响。为了评估实际运行性能，在代表香港-新加坡航线南海海域的不规则波条件下，应用了一个基于替代模型的多目标优化框架。结果表明，在不产生过大的机械负荷的情况下，可以实现能量捕获的显著提升，从而证实了将内部波浪能转换器集成到大型商船上的可行性。
引言
海洋波浪能是一种巨大的、尚未得到充分利用的可再生能源，其能量通量约为2×10^9 kW/m^2 [1]。波浪能转换器（WEC）是从海浪中提取动能和势能并将其转化为电能的装置。回顾以往的研究，已经开发了多种类型的WEC，包括振荡水柱（OWC）型[2]、溢流（OT）型[3]和振荡体（OB）型[4]。为了在不同海况下高效利用波浪能并扩大WEC技术的应用范围，各种新型设计将传统装置发展为更加集成的解决方案，如多体铰接系统[5]、阵列布局[6]和混合组件[8]。最近的趋势强调多用途集成，即将WEC集成到现有的海洋平台或船舶中，以共享基础设施、降低成本并提供现场电力[9]。特别是，国际航运业的脱碳已成为一个关键优先事项。随着国际海事组织（IMO）实施更严格的法规[10]，如能效设计指数（EEDI）和现有船舶能效指数（EEXI），迫切需要提高商船的能效[11]。将WEC直接集成到船上是一种有前景的方法，可以回收波浪诱导的动能并将其转化为辅助电力，从而减少对柴油发动机的依赖并降低碳足迹。
船载WEC长期以来受到了大量研究。早在20世纪70年代，日本就率先推出了“Hai Ming”浮动船体OWC系统，将船舶船体与多个振荡腔室集成在一起；八个国际采购的发电机组通过22个空气柱提供了总计1280 kW的装机容量[12]。1997年，日本海洋地球科学技术机构（JAMSTEC）通过“Mighty Whale”这一浮动OWC原型进一步推进了这一概念，其公海试验展示了实际的波浪到电力的转换[13]。最近，Sharon等人[14]提出了一种自推进波浪动力船，该船配备了侧装的旋转浮标和船载电池储能系统，无需海底电缆即可返回岸上进行电网集成。Sen’kov等人[15]构想了一种双体驳船WEC，其中波浪运动通过悬挂在电缆上的摆锤质量转化为旋转轴动力。船舶会经历六自由度（DOF）的运动，这类波浪能系统通常会与自由表面直接相互作用，导致更大的湿润面积和增加的流体动力阻力。在将WEC集成到运行中的船舶时，安装应尽量不影响船舶的稳定性。
为了减轻对船舶流体力学的不利影响，最近的研究转向了内部集成方案，这些方案利用船舶的运动而不改变外部船体线条。为了回收船舶的波浪诱导动能，Townsend和Shenoi、Bracco等人[16]、[17]引入了一种基于陀螺仪的WEC，该WEC捕获动能并将其转化为电能，为船上波浪动力发电提供了一种新的范式。Wang和Yu[18]提出了一种偏心转子WEC，巧妙地将船舶的横摇转化为转子旋转，并通过实验验证了其可行性。Liu等人[19]、[20]提出了一种利用船舱内升降振荡器捕获波浪能量的新概念。振荡器及其弹簧和液压缸组件安装在一个牢固安装在船体内部的刚性框架内。船舶在波浪激励下的运动驱动内部振荡器沿导轨垂直移动，激活PTO机制以产生电力。尽管取得了这些进展，但现有的关于内部WEC的研究主要集中在运动抑制上，而不是优化其以实现最大能量捕获。此外，大多数研究依赖于简化的船体几何形状或通用驳船，缺乏对标准商用船体形式（如KRISO集装箱船（KCS）的严格分析。标准商船与内部动力提取（PTO）系统之间的复杂流体动力相互作用在真实波浪条件下的研究还不够充分。
为了解决这些不足，本文专门研究了集成在KCS集装箱船（WEC-KCS系统）中的WEC的流体动力性能和优化。与以往侧重于运动抑制或使用简化船体的研究不同，本工作专注于最大化标准商船的波浪到电能转换效率。采用了一个时域数值框架，并通过实验数据进行了验证，以分析WEC-KCS系统的耦合动态响应。此外，还开发了一种基于径向基函数（RBF）替代模型的多目标粒子群优化（MOPSO）算法，以平衡最大化能量捕获和最小化PTO载荷之间的权衡。研究结果旨在为大型商船上波浪能收集系统的实际应用提供设计指南。
本文的结构如下。第2节介绍了用于模拟耦合WEC-KCS系统的模型规模和流体动力学方法的数学公式。第3节通过将数值结果与实验数据进行比较来进行验证研究。第4节详细分析了规则波条件下的性能，研究了波浪条件和PTO参数的影响。第5节将研究扩展到不规则波条件，利用多目标优化在能量捕获效率和机械载荷约束之间取得平衡。最后，第6节总结了主要发现并讨论了实际意义。
WEC-KCS系统概念
如图1所示，本研究探讨了集成在KRISO集装箱船（KCS）内部的WEC的波浪到电能转换[21]。采用了一个全局右手坐标系，其原点位于船舶的重心，z轴垂直向上。KCS模型是一种具有球形船头的现代集装箱船设计基准[22]，并配有公开可用的验证数据。
模型验证
为了验证所提出的WEC-KCS系统的数学模型，将计算结果与KCS集装箱船的现有实验数据进行了比较[22]。KCS实验模型的主要参数总结在表1中。基于实验设置，建立了一个边界元素法（BEM）模型来计算频域流体动力系数。
规则波下的参数分析
在本节中，系统地评估了WEC-KCS系统在不同规则波条件下的稳态响应。考虑的关键性能指标包括升降响应幅度（RAO）、吸收功率和捕获宽度（CW）。表1中的KCS模型按37.89:1的比例放大，以实现全尺寸排水量
不规则波下的多目标优化
在本节中，采用基于替代模型的多目标优化算法来优化在服务速度为24节的不规则波条件下运行的船载波浪能转换器系统（WEC-KCS）的性能
结论
本研究全面探讨了基于内部安装的升降振荡器的船载波浪能转换器（WEC-KCS系统）的流体动力性能和最佳设计。开发了一个完全耦合的时域数值框架，以捕捉主机船舶、内部PTO系统与入射波在规则和不规则海况下的动态相互作用。该数值模型通过实验数据进行了验证
CRediT作者贡献声明
郭新海：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。刘瑶：撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，概念化。杨荣伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，概念化。张新树：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源管理，项目协调。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
