波罗的海能源系统中离岸风能枢纽的作用

《Energy》：The role of offshore wind energy hubs in the Baltic Sea energy system

本研究开发了一个波到电（W2W）模型，评估了带双径向涡轮的振荡水柱（OWC）装置中涡轮阻尼对各能量转换阶段（气动、机械、电气）的影响。通过高分辨率谱模拟能源资源、物理与CFD水动力模拟、以及涡轮-发电机解析模型，结果表明机械效率是关键因素，最佳阻尼条件因阶段而异，需整合机械与电气设计以优化整体性能。

　　

I. López|B. álvarez|D.M. Fouz|R. Carballo|G. Iglesias

水力工程系，EPSE，Terra校区，圣地亚哥-德孔波斯特拉大学，27002，卢戈，西班牙

摘要

涡轮机与腔体的耦合是振荡水柱（OWC）波浪能量转换器性能的决定性因素。在这项研究中，开发了一种波浪到电线的模型，以评估涡轮机引起的阻尼对OWC不同能量转换阶段（气动、机械和电气）的影响。该方法结合了：(i) 高分辨率谱建模，用于表征加利西亚（西班牙西北部）研究地点的近岸波浪能量资源；(ii) 考虑空气可压缩性的OWC流体动力学的物理（实验室）和计算流体动力学（CFD）建模；以及 (iii) 涡轮机-发电机组的分析建模，包括用于调节转速的控制律。结果表明，涡轮机引起的阻尼对OWC设备的所有能量转换阶段性能都有显著影响，最佳阻尼条件因所考虑的阶段而异。机械效率是一个关键因素，它可以使最佳阻尼值高于仅由气动效率决定的值。这些发现强调了涡轮机效率在OWC设计中的重要性，并突出了将机械和电气转换阶段整合到涡轮机-腔体耦合策略中的必要性，以实现最佳性能。

引言

在能源需求不断增长和需要减少温室气体排放的背景下，可再生能源的发展变得越来越重要[1]。在可再生能源中，波浪能量因其巨大的潜力而脱颖而出，其全球年理论产量估计为29500太瓦时[2]。此外，波浪能量具有高可预测性[3]、相对较低的环境影响[4,5]以及高能量密度（尤其是在某些沿海地区[6]）等优点。因此，过去几十年里，人们投入了大量努力来开发能够高效可靠地收集这种资源的波浪能量转换器（WECs）[7,8]。

在提出的各种WEC概念中，振荡水柱（OWC）装置因其简单性、易于维护和多功能性而受到了广泛关注[9]。基于这种多功能性，已经研究了多种OWC配置，包括集成在防波堤中的装置[10]、附着在能量聚焦防波堤上的装置[11,12]、浮动离岸系统[13]、多OWC平台[14]、集成在管状结构中的OWC[15,16]，以及与其他WEC结合的混合解决方案[17]或集成在离岸风力涡轮机基础中的OWC[18,19]。OWC由一个中空的半浸没腔体组成，该腔体在自由水面以下与海洋相通，并通过空气涡轮机与自由水面以上的大气相连。入射波使腔体内的水柱振荡，从而压缩和释放上方的空气。这一过程在腔体内部和大气之间产生振荡气流，驱动涡轮机-发电机组。已经提出了几种利用双向流的解决方案，包括双单向涡轮机[20,21]和使用腔内被动气流阀来整流气流的带排气口的OWC装置[22,23]。然而，最广泛采用的解决方案是自整流空气涡轮机[24]。

最初，Wells反应涡轮机[25]是OWC转换器中最常用的自整流涡轮机，它具有较高的峰值效率；然而，其高效工作范围较窄，超出该范围时性能会急剧下降。因此，近年来人们将注意力转向了自整流冲击涡轮机，后者提供了更宽的工作范围[26]。其中，最近开发的biradial涡轮机[27,28]尤其具有前景。其设计相对于其旋转轴垂直的平面是对称的，结合了向心流入和离心流出，同时具备了Wells涡轮机的高效率和冲击涡轮机的宽工作范围。

涡轮机和腔体在决定OWC设备的整体性能方面起着核心作用。然而，系统的性能不仅取决于这些元件的单独特性，还取决于它们之间的耦合，或者更具体地说，取决于涡轮机引起的阻尼[29,30]。先前的研究使用粒子图像测速法[31]或人工神经网络[32]研究了涡轮机引起的阻尼对OWC效率的影响。已经开发了针对特定波浪条件和场地特定波浪气候优化涡轮机引起的阻尼的方法[33,34]。最近，提出了一种将涡轮机直径与最大化气动功率捕获的涡轮机引起的阻尼联系起来的方法[35]。通常，捕获宽度比（定义为腔体捕获的气动功率与入射波功率的比率）是评估设备性能的主要指标[例如，36,37]。然而，OWC涉及两个额外的能量转换阶段：从气动功率到机械功率，以及从机械功率到电功率。仅考虑从波功率到气动功率的转换的性能指标是不够的。必须评估涡轮机引起的阻尼对设备最终电输出的影响，并确定最大化捕获宽度比的阻尼是否也能最大化电功率。

为了预测OWC设备的整体性能以及每个能量转换阶段所达到的效率，明确表示流体动力学、空气动力学和电气子系统的波浪到电线（W2W）模型是必不可少的[38]。传统上，分析W2W模型是最广泛采用的方法。例如，Ciappi等人[39,40]应用了一种基于刚性活塞近似的分析W2W模型，优化了在地中海中等波浪条件下运行的OWC转换器，并比较了Wells涡轮机和冲击涡轮机的性能。Rosati和Ringwood[41]进一步通过调节Wells涡轮机的转速来研究W2W效率的最大化，证明了适当的速度控制可以通过改善流体动力学性能来提高整体能量转换效率。计算流体动力学（CFD）方法也被用于W2W建模。Liu等人[42,43]提出了一个基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的集成腔体-涡轮机模型，能够模拟OWC系统在不同波浪条件下的完整运行过程，并预测初级阶段、次级阶段和整体效率。最近，Ding等人[44]提出了一个包含整个能量转换链的W2W时域模型——从腔体动力学到涡轮机行为和永磁同步发电机（PMSG）——以评估输出功率和逐阶段转换效率。该模型随后通过加入可调电阻负载进行了扩展[45]，从而能够分析其对系统行为的影响，并展示了其提高OWC整体性能的潜力。

在本研究中，目标是开发一个W2W模型，能够评估配备冲击涡轮机（特别是biradial涡轮机）的OWC波浪能量转换器各能量转换阶段中涡轮机引起的阻尼的影响。与主要关注气动性能的先前研究不同，这里提出的方法能够全面分析从波浪资源到电输出的整个能量转换链。为此，采用了混合建模方法，包括：(i) 高分辨率谱数值建模，用于表征研究地点的波浪能量资源；(ii) 物理和CFD建模，用于评估设备的流体动力学；以及 (iii) 分析建模，用于表示涡轮机-发电机组的动态。该方法通过加利西亚（西班牙西北部）一个沿海地点的案例研究进行了说明。

本文的结构如下。第2节描述了材料和方法，包括研究地点的波浪能量资源特征、波浪-WEC相互作用建模、涡轮机-发电机组建模和性能评估程序。第3节展示了结果并进行了讨论。最后，第4节得出了结论。

章节摘录

波浪能量资源

在评估波浪能量资源时，需要考虑到海况的变化及其发生频率。因此，仅考虑OWC设备在一个或几个特定海况下的性能可能会得到不完整的结论。通过考虑该地点典型年份的总能量输出，可以形成更完整的图像。为此，必须根据海况的分布来表征波浪气候

数值模型验证

通过比较测量和模拟的水柱振荡和压力降时间序列来评估数值模型。使用决定系数（R²）和标准化均方根误差（NRMSE）来量化模型性能，如表1所示。结果显示出极好的一致性。自由表面高度的平均NRMSE值低于0.05，而压力降的值约为0.06。在所有情况下，平均R²均超过0.95，表明

结论

在这项研究中，通过应用于加利西亚（西班牙西北部）一个沿海地点的案例研究的波浪到电线模型，评估了涡轮机引起的阻尼对OWC设备连续能量转换阶段的影响。所提出的方法适用于非线性冲击涡轮机，特别关注biradial涡轮机。波浪到电线模型结合了多种建模方法：(i) 通过高分辨率谱方法表征近岸波浪能量资源

CRediT作者贡献声明

Gregorio Iglesias：撰写 – 审稿与编辑，监督。David Mateo Fouz：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，软件。Borja álvarez：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，研究。Rodrigo Carballo：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，研究，资金获取。Iván López：撰写 – 初稿，可视化，软件，方法论，研究，概念化

未引用的参考文献

[36], [37]。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：鉴于Gregorio Iglesias教授担任期刊编辑的角色，他未参与本文的同行评审，也未获取有关其同行评审的信息。本文的编辑过程的全部责任由另一位期刊编辑负责。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突

致谢

这项研究由PORTOS项目——迈向能源自给自足——参考编号EAPA_784/2018资助，该项目由InterregAtlantic区域计划通过欧洲区域发展基金和“2023年加利西亚大学系统内竞争性研究单位巩固和结构化补助金”（参考编号ED431B 2023/17）共同资助。在此期间，D.M. Fouz得到了博士后指导期间的支持