沿海地区对波浪能转换器阵列的反应：近岸水流和海滩变化的半解析预测

《Renewable Energy》：Coastal response to wave energy converter arrays: Semi-analytical predictions of nearshore currents and beach change

一种快速半分析性方法用于评估波浪能转换器阵列对近岸洋流和海滩侵蚀的影响，并优化其防护效能。该方法整合波场模型与近岸洋流模型，通过波影效应分析揭示能量转换与海岸防护的协同潜力，验证显示其结果与数值模拟和实验数据一致，最优阵列布局可同时实现能量高效产出和显著海滩 accretion。

　　

崔立东|娜塔莉娅·Y·谢尔吉延科|纳达夫·科恩|贾斯汀·S·莱昂蒂尼|本杰明·S·卡佐拉托|弗朗索瓦·弗洛卡德|理查德·马纳塞

斯威本科技大学机械工程与产品设计工程系，澳大利亚维多利亚州霍桑市3122

摘要

本文开发了一种半解析方法，该方法比传统的计算和实验方法快得多，用于量化波浪能转换器阵列（“波浪农场”）在改变海浪时对近岸流和海滩侵蚀的影响，为评估波浪农场对海岸的影响提供了一种半解析的初步设计工具。该方法将现有的半解析波浪农场模型与近岸流模型相结合；后者是一种经过修改的涌浪模型，能够处理波浪能转换器阵列产生的波浪场。该方法通过一个经典案例进行了验证，并与数值模拟和波浪水池实验的结果进行了比较，研究对象是一个由16个振荡水柱装置组成的阵列。随后，该方法被用于优化该16个装置的阵列，以提高其保护海滩的能力。研究发现，最有效的海滩保护阵列在发电性能上也表现良好，其发电量接近最优功率阵列。这表明优先考虑海滩保护并不会显著影响发电性能。

引言

波浪能转换器（WECs）从海浪中提取可再生能源，主要用于发电。尽管已经成功测试了许多类型的WECs，但它们的平准化电力成本（LCOE）目前仍然过高，无法直接与最成熟的可再生能源形式竞争；最近的一项WEC LCOE分析[1]显示，到2025年，其成本将超过每兆瓦时200欧元，是陆上风电成本的六倍[2]。然而，越来越多的研究表明，WECs还提供了独特的海岸保护机会[3][4][5]，这可能完全改变它们作为可再生能源发电机的经济可行性。

随着[例如]海岸洪水将变得更加频繁的预测，对海岸保护的需求也在增加。传统的海岸保护方法，如水下防波堤[7]和穿透水面的防波堤[8]通常是固定的，无法主动适应不断变化的环境。新的自适应海岸保护技术正在开发中；这些技术包括双用途WECs，它们既旨在影响海岸环境，同时又能产生可再生能源。这些双用途WECs被设计成与来波相互作用的共振器，具有高度的可调性[9][10]，并且建议以阵列（农场）的形式部署，以利用设备间的有利流体动力学相互作用[11]。通过改变设备调谐和阵列布局，阵列可以适应气候变化。图1展示了实验室规模的海上双用途WEC阵列[12][13]及其旨在保护的海滩。虽然本文不会讨论这些阵列布局，因为这些实验并不是为了测量近岸流而设计的，但实验中的某些元素，如设备、水池设置和海滩几何形状，将在本文的后续部分中再次提及。

在开发双用途海上WEC阵列时需要考虑一些通用因素。这些因素包括：(1) 描述单个设备的行为；(2) 描述设备间的流体动力学相互作用；(3) 评估WEC阵列对海岸的影响。计算[14][15]和实验方法[12][16]可以提供相对准确的结果，但由于成本限制，它们不适用于比较许多（例如$O\left(10^4\right)$）不同的WEC阵列布局，这些布局用于设计优化。半解析或解析方法速度更快，因此能够比较大量设计。例如，在[17]中，开发了一种半解析方法来寻找尽可能减少波浪幅度的WEC阵列布局，通过“波浪阴影”的大小来量化这一效果，其中传输系数被降低。虽然现有的半解析方法侧重于改变波浪，但海岸保护不仅仅是减弱波浪，[12]中的实验表明这一点。波浪引起的近岸流也很重要，因为两个产生相似大小波浪阴影的WEC阵列可能会导致非常不同的近岸流，从而导致不同的海滩侵蚀和堆积模式。除了侵蚀之外，近岸流还可能影响与海滩相关的体育和休闲活动[18][19]，这可能会影响大量海滩使用者：仅在2011年至2021年间，澳大利亚就有370万海滩使用者被涌浪卷走[20]。此外，潮间带生物和水产养殖也可能受到水流的影响[21][22]。因此，需要一个近岸流模型来补充[17]中的波浪模型。

鉴于上述需求，本文（i）开发了一种快速的半解析方法，将双用途WEC阵列产生的波浪阴影与近岸流联系起来；（ii）将这些电流与海滩侵蚀和海滩相关活动联系起来；（iii）找到能够产生理想近岸流的最佳WEC阵列布局。本文通过扩展[23]中的方法（该方法仅限于形状相对简单的波浪阴影，见附录A）来处理任务（i）；任务（ii）通过半经验公式解决；任务（iii）通过简单的优化程序完成。在入门级的个人笔记本电脑上，对于简单波浪条件和标准水深条件的实验室规模16个装置的WEC阵列，所有三个任务都可以在20分钟内完成。

本文的结构如下。第2节解释了近岸流的现象，并将[23]提出的半解析方法扩展到通用情况（即形状任意的波浪阴影）。尽管这种扩展不需要新的数学范式，但它涉及新的代数细节，为了确保结果的可重复性，在补充材料中提供了[23]中忽略的许多中间步骤的详细信息。第3节通过最近的数值和实验结果验证了计算出的近岸流。第4节通过[24]提出的公式将近岸流与海滩变化联系起来，并讨论了如何通过优化WEC阵列布局来实现所需的海滩变化，从而得到了两种不同设计目标下的两种新的WEC阵列设计。最后，第5节总结了本文的主要发现和局限性。

节选

近岸流：现象学和建模

需要指出的是，近岸流模型没有包括环境海流与波浪诱导流之间的双向耦合；相反，它仅关注波浪诱导流。

近岸流的数学模型在自然海滩上的适用性有限[25]，但它们在数量级估计和物理解释方面可能具有价值。一个经典的模型归功于[23]；但在深入细节之前

将模型预测的电流与现有结果进行比较

验证/比较按现实性递增的顺序进行：(i) 恢复一个经典的解析结果；(ii) 与相位分辨的数值模拟进行比较；(iii) 与实验室实验进行定性比较。

近岸流、沉积物输送、海滩侵蚀和功率考虑

获得近岸流后，我们研究了它们的地貌后果。我们计算了一个称为总体沿岸沉积物输送率的量，其梯度可以量化海滩侵蚀或堆积。然后，我们找到了能够最大化海滩堆积或形成“平滑”海滩形状的阵列。在本节的最后，将这些阵列的发电能力与最大功率阵列进行了比较。

结论

从方法论的角度来看，目前的半解析方法能够在计算成本较低的情况下，将任意的波浪阴影函数与海滩响应联系起来。之前的半解析电流处理[23]仅限于理想化的正弦波高度扰动（对于WEC阵列来说不现实），并且没有考虑沉积物输送，而能够处理WEC产生的波浪场的数值模型[例如]14]仍适用于大规模优化时成本较高

CRediT作者贡献声明

崔立东：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。娜塔莉娅·Y·谢尔吉延科：验证、软件、资源、形式分析、数据管理。纳达夫·科恩：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、资源、调查、数据管理。贾斯汀·S·莱昂蒂尼：撰写——审阅与编辑、验证、软件、项目管理、方法论、调查、资金获取。本杰明·S·卡佐拉托：

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，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项研究由澳大利亚政府通过澳大利亚研究委员会（项目编号ARC LP180101109）资助。N. S. 获得了由澳大利亚政府资助的澳大利亚研究委员会早期职业产业奖学金（IE230100545）。作者感谢三位匿名审稿人和执行编辑提供的建设性建议。