浮式风机-摆式波浪能浮子集成系统耦合动力特性研究
摘要
波浪能浮子与漂浮式风力机组成的集成系统具有广阔的应用前景。一方面顺应能源
结构转型和节能减排的目标，另一方面波浪能浮子和风力机共享平台和系泊降低了可再
生能源利用的成本，提高了能源的利用率。本文提出了一种由漂浮式风力机和摆式波浪
能浮子组成的集成系统，建立了频域与时域数值模型，研究了波浪能浮子和浮式风机之
间的相互影响规律。
首先基于粘性修正的势流理论和牛顿欧拉方程，建立并验证了浮式平台与摆式浮子
集成系统频域耦合运动模型，其中耦合水动力系数采用高阶边界元程序计算，系泊采用
等效刚度矩阵加入，在旋转点添加线性PTO(PowerTakeOff)系统和约束矩阵来实现波
浪能浮子和平台之间的相对转动发电，利用频域模型研究了平台周围波面的分布特征及
浮子臂长和铰接点变化对集成系统的影响规律，确定了摆式波浪能浮子的关键参数；然
后通过间接时域方法和对FAST二次开发，将风力机计算子程序接入时域运动方程中，
建立并验证了浮式风机-摆式波浪能浮子-系泊集成系统时域仿真模型，研究了规则波和
定常风共同作用下波浪能浮子加入对平台运动、系泊受力及集成系统发电功率的影响规
律；最后选取了目标海域的典型工况，研究了不规则波作用下平台动态响应及浮子发电
功率在不同B下的变化规律，选定B并评估了不规则波加湍流风作用下波浪能浮子
ptopto
加入对集成系统的动态响应及能量转换的影响。
结果表明：摆式波浪能浮子水平臂长的变化是影响集成系统动力特性的主要因素，
铰接点的变化只影响装置自身的发电功率，波浪能浮子加入一定范围内降低平台的纵荡
和垂荡运动幅值，提高了集成系统的能量输出；通过平台周围波面分布特征可以快速确
定浮子的最优布置位置；定常风的加入主要影响平台的纵荡和纵摇运动平衡位置，对平
台的运动幅值和浮子的发电功率影响较小，对系泊张力产生较大的影响；改变B可以
pto
进一步降低平台垂荡和纵摇运动响应，并对浮子年平均发电功率影响较小；湍流风的加
入会加剧平台纵荡和纵摇方向的运动响应以及系泊线的张力，对波浪能浮子的平均发电
功率几乎不产生影响，波浪能浮子在湍流风作用下对平台纵摇运动幅值抑制显著。
关键词：浮式风机；摆式波浪能浮子；集成系统；约束运动；风浪耦合
I
浮式风机-摆式波浪能浮子集成系统耦合动力特性研究
ABSTRACT
Thehybridsystemcomposedofwaveenergyconverterandfloatingwindturbinehas
broadapplicationprospects.Ontheonehand,itconformstothegoalofenergystructure
transformationandenergyconservationandemissionreduction.Ontheotherhand,the
sharingplatformandmooringofwaveenergyconverterandwindturbinesreducethecostof
renewableenergyutilizationandimproveenergyefficiency.Inthispaper,anintegrated
systemcomposedoffloatingwindturbineandpendulumwaveenergydeviceisproposed.
Boththefrequencydomainandtimedomainnumericalmodelsareestablishedtoinvestigate
theinteractionbetweenwaveenergydeviceandfloatingwindturbine.