陳淑玲，胡天鳴，馬 婧，劉 燕，鄒蓓蕾

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

0 引 言

海洋面積占地球總面積的71%，蘊(yùn)藏著豐富的自然資源，其中風(fēng)能和波浪能作為海上主要的清潔可再生能源，對(duì)它們的開(kāi)發(fā)利用有著重大的意義。各國(guó)為此設(shè)計(jì)出各種形式的風(fēng)能波浪能采集和發(fā)電裝置，將風(fēng)能發(fā)電裝置與波浪能發(fā)電裝置通過(guò)同一支撐載體相結(jié)合，既提高了其穩(wěn)定性也提高了其發(fā)電效率。

海洋浮式風(fēng)機(jī)不受傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的地域限制，可在深海區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，使其風(fēng)能采集能力大大增強(qiáng)。浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)概念早在20 世紀(jì)70 年代由麻省理工的Heronemus[1]提出，直至近年，科研人員通過(guò)CFD 數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)?zāi)M，浮式風(fēng)機(jī)的形式得到進(jìn)一步的改善。2008 年，Blue H 集團(tuán)在意大利海域安裝了世界上第一座試驗(yàn)性浮式風(fēng)機(jī)Blue H。2009 年，挪威國(guó)家石油公司在挪威海安裝了世界上第1 座全尺寸浮式風(fēng)機(jī)Hywind。2011 年，美國(guó)Principle 電力公司和葡萄牙電力公司將其合作研發(fā)的半潛型浮式風(fēng)機(jī)Wind Float成功安裝在葡萄牙海域且于2012 年成功并網(wǎng)發(fā)電。2013 年，歐盟多國(guó)家合作的Hi PRWind 完成1.5 MW的1/10 縮尺模型的試驗(yàn)。2013 年，日本三井造船公司設(shè)計(jì)建成四立柱半潛型平臺(tái)并在福島浮式風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目完成下水試驗(yàn)。2015 年，福島浮式風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的第2 階段完成5 MW 的 Advanced Spa 和7 MW 的V 型半潛型浮式平臺(tái)試驗(yàn)。2017 年10 月，挪威國(guó)家石油公司承建的全球首個(gè)浮動(dòng)式風(fēng)電場(chǎng)—Hywind Scotland 風(fēng)電場(chǎng)正式并網(wǎng)發(fā)電[2]。

振蕩浮子式發(fā)電裝置作為波浪能發(fā)電裝置的一種，又稱點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置，由于具有轉(zhuǎn)化效率高、建造難度小、投資成本少、不受波浪方向影響等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的重視。G-1T 是較早地投入波浪能應(yīng)用領(lǐng)域的一款裝置。其中能量輸出系統(tǒng)采用液壓進(jìn)行控制，該系統(tǒng)還具有充氣蓄能的效用，該裝置于1980 年在東京灣進(jìn)行了海試。振蕩浮子式波浪能發(fā)電的代表裝置是美國(guó)研發(fā)的Power Buoy 點(diǎn)吸收式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，它利用浮標(biāo)內(nèi)外兩部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，壓縮內(nèi)部的氣囊進(jìn)行發(fā)電[3]。

目前，世界范圍內(nèi)有關(guān)浮式風(fēng)浪能混合利用系統(tǒng)的研究尚處于起步探索的初步階段，此領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)術(shù)成果相對(duì)較少。最具代表性和影響力的是歐盟所資助的MARINA （Marine Renewable Integrated Application Platform）研究計(jì)劃，其涉及多種風(fēng)浪能混合利用系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。Aubault 等[4]提出一種Wind Float 半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)與振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置相結(jié)合的浮式集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，分別利用簡(jiǎn)化等效線性阻尼的頻域方法和物理模型水動(dòng)力試驗(yàn)手段，重點(diǎn)研究了該新型集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征，并指出波浪能裝置 PTO 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)浮式平臺(tái)整體動(dòng)力響應(yīng)的影響較為有限，而縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械姆蔷€性阻尼效應(yīng)較為顯著。Peiffer 等[5]提出另一種Wind Float 半潛式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)與單點(diǎn)波浪能吸收裝置相結(jié)合的浮式集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要基于Orca Flex 程序并利用WAMIT 及Morrison 經(jīng)驗(yàn)公式求解該集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水動(dòng)力載荷，通過(guò)將典型規(guī)則波浪下的數(shù)值模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)不考慮波浪能裝置液壓傳動(dòng)（PTO）系統(tǒng)阻尼效應(yīng)的縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，較好地驗(yàn)證了不同PTO 線性剛度參數(shù)對(duì)附加波浪能發(fā)電裝置動(dòng)力響應(yīng)特征的影響規(guī)律。Soulard 等[6]提出一種將縱蕩式波浪能發(fā)電裝置與半潛式5MW 風(fēng)力機(jī)相結(jié)合的浮式集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，分別通過(guò)簡(jiǎn)化頻域分析和時(shí)域分析的方法獲得了附加波浪能裝置在典型海況下的輸出功率特征。Chenyu Luan 和Constantine Michailides 等[7]提出了將5MW 半潛式浮式風(fēng)機(jī)和搖擺式波浪能裝置進(jìn)行科學(xué)集成以完成波浪能和風(fēng)能進(jìn)行同時(shí)發(fā)電（SFC）。

浮式平臺(tái)的穩(wěn)定性在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，如今提高浮式平臺(tái)的穩(wěn)定性已是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重要研究對(duì)象。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究的需求，為了提高整體平臺(tái)的穩(wěn)定性和發(fā)電效率，本文結(jié)合半潛式平臺(tái)的穩(wěn)定性，振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置以及水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)浪能混合利用系統(tǒng)，并根據(jù)DNV 要求對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)性分析?；趧?shì)流理論，通過(guò)水動(dòng)力分析軟件Sesam 中的HydroD 模塊對(duì)平臺(tái)進(jìn)行頻域特性分析。

1 浮式風(fēng)浪能混合利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在綜合考慮了我國(guó)的海洋條件、浮式基礎(chǔ)平臺(tái)特點(diǎn)、波浪能俘獲原理以及現(xiàn)有裝置的優(yōu)缺點(diǎn)等因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種浮式風(fēng)浪能混合利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了半潛浮式風(fēng)機(jī)與振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，具有高穩(wěn)性和高發(fā)電效率等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 混合系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

典型的浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要有3 種，分別為半潛式基礎(chǔ)、單立柱式基礎(chǔ)和張力腿式基礎(chǔ)。半潛式浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由多個(gè)撐桿連接，穩(wěn)定性較高，適用水深范圍廣，方便安裝建造和轉(zhuǎn)移。對(duì)于本文的設(shè)計(jì)需求，要考慮到波浪能浮子的加入，必須保持其穩(wěn)定性，故本文選擇半潛式基礎(chǔ)。

該結(jié)構(gòu)由一個(gè)中立柱和3 個(gè)側(cè)立柱通過(guò)撐桿連接而成，該系統(tǒng)采用等邊三角形的三立柱支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)稱性好，具有半潛式平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)[8]。立柱底部設(shè)有垂蕩板，可通過(guò)改變垂蕩板來(lái)改變平臺(tái)的固有頻率（周期），從而影響其垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。這里實(shí)際上是通過(guò)增設(shè)垂蕩板來(lái)增加其平臺(tái)垂蕩方向的阻尼，減小垂蕩運(yùn)動(dòng)，提高其穩(wěn)性。

表1 浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of floating fan foundation

如圖1 所示，中、側(cè)立柱中心距為30 m，平臺(tái)的平均吃水為20 m，總重量約為5708.76 kg，重心位置在靜水面下的2.367 m。

圖1 半潛式浮式平臺(tái)基礎(chǔ)Fig.1 Semi submersible floating platform foundation

1.2 振蕩浮子設(shè)計(jì)

本文選擇了一種倒圓臺(tái)形式的浮子，如圖2 所示，該形狀的浮子更有利于波浪能的吸收[9]。

表2 波浪能浮子設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of wave energy float

圖2 倒圓臺(tái)波浪能振蕩浮子Fig.2 Wave energy oscillating float of the inverted platform

1.3 風(fēng)機(jī)選型

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：安裝建造簡(jiǎn)單，成本低；可以俘獲360°的風(fēng)能，發(fā)電效率高；受地域限制較小，適用于深海海域，可以和半潛式浮式平臺(tái)完美結(jié)合。結(jié)合了半潛式浮式平臺(tái)基礎(chǔ)和波浪能振蕩浮子，考慮其整體的穩(wěn)定性，選擇一種水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)能發(fā)電裝置，表3 給出了風(fēng)機(jī)的參數(shù)。

表3 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Design parameters of horizontal axis wind turbine

1.4 混合系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

將水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與半潛式平臺(tái)和波浪能浮子相結(jié)合，如圖3 所示浮式風(fēng)浪能發(fā)電系統(tǒng)整體構(gòu)型。

圖3 浮式風(fēng)浪能混合利用系統(tǒng)Fig.3 Floating wind wave energy mixed utilization system

2 穩(wěn)性分析

目前有關(guān)海洋平臺(tái)穩(wěn)性計(jì)算和分析校核方面的有關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn)主要都是針對(duì)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)而制定的，但是考慮到此平臺(tái)在使用要求、結(jié)構(gòu)特征以及載荷設(shè)定方面與常規(guī)的海上鉆井式浮式平臺(tái)存在著一定的差異，所以在此僅分析平臺(tái)的完整穩(wěn)性，即平臺(tái)的大傾角穩(wěn)性，并借鑒鉆井平臺(tái)的規(guī)范要求進(jìn)行穩(wěn)性判斷[10]。

本文分別對(duì)未加入波浪能浮子的半潛式平臺(tái)與加入浮子后的半潛式平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算并進(jìn)行比較。

2.1 穩(wěn)性計(jì)算原理

本文進(jìn)行的穩(wěn)性分析為大傾角穩(wěn)性，即平臺(tái)發(fā)生大角度傾斜后，浮式風(fēng)機(jī)是否會(huì)出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。當(dāng)風(fēng)力機(jī)平臺(tái)大角度傾斜時(shí)，此時(shí)需要通過(guò)研究顛覆力矩和回復(fù)力矩曲線隨傾角的變化規(guī)律來(lái)考查平臺(tái)的大傾角穩(wěn)定性。對(duì)于該浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)，顛覆力矩為風(fēng)載荷產(chǎn)生的風(fēng)傾力矩。校核的主要內(nèi)容包括首先通過(guò)平臺(tái)在不同的吃水和水平軸計(jì)算并繪制出精度達(dá)到要求的復(fù)原力矩曲線和風(fēng)傾力矩曲線（見(jiàn)圖4），之后從曲線圖中找尋出可能的最危險(xiǎn)傾覆方向。通過(guò)分析曲線上的第一交角、進(jìn)水角、穩(wěn)性消失角（進(jìn)水角）的面積比等參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)大傾角穩(wěn)定性。面積比指（A+B）/（B+C）的值，其中A,B,C 分別為圖4 所對(duì)應(yīng)的面積。此面積比反映出回復(fù)力矩與風(fēng)傾力矩做功的比值，是評(píng)價(jià)大傾角穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。根據(jù)DNV 規(guī)范，要求該方向的面積比（A+B）/（B+C）的值應(yīng)大于1.4[11]。

圖4 風(fēng)傾力矩與復(fù)原力矩曲線Fig.4 Curve of wind inclination moment and restoring moment

2.2 坐標(biāo)系的建立

坐標(biāo)系平面認(rèn)定為與平臺(tái)固定連接的，同時(shí)在此基礎(chǔ)上建立與初始狀態(tài)重合的絕對(duì)坐標(biāo)系，規(guī)定平臺(tái)靜水平面為xoy 平面，坐標(biāo)原點(diǎn)位于中心立柱底部中心，z 軸正向沿中心立柱向上。認(rèn)定風(fēng)向一直朝向y 軸負(fù)方向。定義傾斜軸為靜水面與坐標(biāo)平面xoy 的交線，即為x 軸。平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)為平面對(duì)稱，yoz 為對(duì)稱平面之一。如圖5 所示，定義傾斜軸的角度為OA 與y 軸的夾角。針對(duì)平臺(tái)的對(duì)稱性，將針對(duì)4 個(gè)特殊的傾斜軸0°，60°，120°和180°進(jìn)行大傾角穩(wěn)性的計(jì)算。

圖5 不同角度傾斜軸Fig.5 Tilt axis at different angles

2.3 穩(wěn)性計(jì)算步驟

研究在作業(yè)狀態(tài)下考慮波流載荷和風(fēng)載荷，漂浮式支撐平臺(tái)靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。穩(wěn)性分析可由以下步驟進(jìn)行：

1）相對(duì)位置的確定

波浪能浮子會(huì)隨著平臺(tái)的傾斜沿著立柱豎直方向上下運(yùn)動(dòng)，造成與平臺(tái)的相對(duì)位移。在不同的傾斜軸下，不同位置的浮子的位移也不同。以0°傾斜軸2.5°橫傾角為例，浮子A 相對(duì)側(cè)立柱向下移動(dòng)了1.309828287 m，浮子B，C 相對(duì)側(cè)立柱向上移動(dòng)了0.654914144 m。當(dāng)浮子運(yùn)動(dòng)到達(dá)極限位置后，保持極限位置不再發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2）新位置的重心和浮心計(jì)算

在不同的傾斜軸與橫傾角下的平臺(tái)，有新的重心和浮心位置，通過(guò)GeniE 建立不同角度的平臺(tái)模型，計(jì)算出新的重心位置，導(dǎo)入HydroD 可得到新位置的浮心位置。令正浮態(tài)時(shí)的重心位置坐標(biāo)為（ XG， YG，ZG），浮 心 坐 標(biāo) 為（ XB， YB， ZB）。平 臺(tái) 傾斜 θ角 度后新的位置重心坐標(biāo)為（ XGθ， YGθ， ZGθ），新的浮心坐標(biāo)為（ XBθ，YBθ，ZBθ）。

3）復(fù)原力矩的計(jì)算

根據(jù)等量排水原則，平臺(tái)的重力始終保持不變，不論平臺(tái)的橫傾角變化多少，吃水體積仍然保持不變。復(fù)原力矩由重力和浮力形成，如下式：

式中：F浮為平臺(tái)所受浮力；V排為排水體積；為穩(wěn)性臂。

根據(jù)上文求出的平臺(tái)在正浮態(tài)時(shí)和傾斜后的重心坐標(biāo)和浮心坐標(biāo)，可以計(jì)算出穩(wěn)性臂。根據(jù)復(fù)原力矩計(jì)算公式算出平臺(tái)在0°和60°傾斜軸下各個(gè)橫傾角的復(fù)原力矩值。

4）風(fēng)傾力矩的計(jì)算

平臺(tái)的風(fēng)傾力矩隨傾角的變化而改變，通過(guò)計(jì)算各個(gè)橫傾角下的風(fēng)傾力矩來(lái)繪制曲線，一般風(fēng)傾力矩表示為：

式中： d 為風(fēng)傾力臂，即平臺(tái)的風(fēng)壓中心至水下側(cè)向阻力中心的垂直距離； F為平臺(tái)所受風(fēng)傾力，表達(dá)式為：

式中： Fi為 作用在某面積元素上的風(fēng)傾力， Fi=Cv2δA。其中： C為與構(gòu)件形狀及構(gòu)件高度等有關(guān)的系數(shù)； v為風(fēng)速，通常在作業(yè)狀態(tài)取 v=70 kn(36 m/s) ； δA為該面積元素在風(fēng)速方向的投影面積。

由上述公式計(jì)算出各個(gè)橫傾角下平臺(tái)的風(fēng)傾力矩。

5）面積比的校核

由上文計(jì)算出的各個(gè)傾斜軸和橫傾角下的回復(fù)力矩和風(fēng)傾力矩，繪制成曲線圖進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6 傾斜軸為0°和60°加入浮子和未加浮子穩(wěn)性校核曲線Fig.6 Stability check curve of 0 ° and 60 ° inclined axis with and without floats

由于平臺(tái)的對(duì)稱性，分別計(jì)算出0°，60°，120°和180°四個(gè)傾斜軸下的回復(fù)力矩與風(fēng)傾力矩的面積比，如表4 所示。

表4 四個(gè)傾斜軸下的面積比Tab.4 Area ratio under 4 inclined axes

根據(jù)表4 繪制面積比曲線，如圖7 所示。

根據(jù)圖7 分析，不論是單獨(dú)的半潛式平臺(tái)還是加入浮子后的平臺(tái)，在正常作業(yè)狀態(tài)下整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)性校核曲線中回復(fù)力矩和風(fēng)傾力矩的第一交角均小于10°，符合規(guī)范要求；2 種情況下的復(fù)原力矩曲線及風(fēng)傾力矩曲線的面積之比均大于1.4，同樣符合 DNV 要求；通過(guò)面積比曲線很容易看出加入浮子后的半潛式平臺(tái)的面積比在各個(gè)傾斜軸上均大于未加入浮子的半潛式平臺(tái)，是因?yàn)椴ɡ四芨∽拥募尤氲扔谧兿嗟卦谄脚_(tái)中增添了垂蕩板，增加了平臺(tái)在垂蕩方向的阻尼，提高了平臺(tái)的穩(wěn)定性。

3 頻域特性分析

圖7 面積比曲線Fig.7 Area ratio curve

使用大型水動(dòng)力分析軟件Sesam 中GeniE 和HydroD 模塊對(duì)浮式平臺(tái)進(jìn)行建模和頻域分析。平臺(tái)中的立柱與波浪能浮子采用勢(shì)流理論，小尺度件撐桿采用莫里森公式，通過(guò)分析得到六自由度運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)算子RAO 水動(dòng)力參數(shù)[12]。首先對(duì)于不搭載波浪能發(fā)電裝置的半潛式平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)頻域分析，再對(duì)搭載了波浪能發(fā)電裝置的綜合系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行頻域分析，接著再將二者的頻域分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討波浪能發(fā)電裝置的安裝對(duì)于整體運(yùn)動(dòng)的影響。

對(duì)于文中分析的半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，給定的工況條件如下：坐標(biāo)系同上文穩(wěn)性計(jì)算坐標(biāo)系相同，來(lái)浪的角度為0°～180°，每隔30°設(shè)置一個(gè)計(jì)算方向，共有7 個(gè)，波浪的周期范圍為2～20 s，間隔為0.5 s，平臺(tái)工作水深200 m，平均吃水20 m。考慮到平臺(tái)中的立柱與波浪能浮子采用的是勢(shì)流理論，但是平臺(tái)在實(shí)際工況中存在一定的粘性阻尼，所以在垂蕩、橫搖和縱搖方向上加入10%的等效阻尼作用[13]。

3.1 未加浮子的平臺(tái)頻域特性分析

單獨(dú)對(duì)半潛式平臺(tái)進(jìn)行頻域響應(yīng)分析，使用GeniE 分別建立如圖8 所示模型，通過(guò)HydroD 進(jìn)行計(jì)算分析。

圖9 列出了未加入浮子的半潛式平臺(tái)在6 個(gè)自由度上的RAO 計(jì)算結(jié)果。

圖8 未加入浮子的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力分析模型Fig.8 Hydrodynamic analysis model of semi submersible without floats

由圖9 可知，對(duì)于縱蕩和橫蕩曲線，整體上響應(yīng)的數(shù)值隨著周期的變長(zhǎng)在不斷增加，除了在6 s 左右2 條曲線出現(xiàn)輕微振蕩之外。響應(yīng)數(shù)值不斷增大的一個(gè)可能的原因時(shí)在計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮系泊系統(tǒng)對(duì)于平臺(tái)的作用；縱搖與橫搖曲線的變化趨勢(shì)同樣相同，2～9 s呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，隨后一直下降直至15 s 后開(kāi)始反彈；對(duì)于垂蕩曲線，由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有較好的對(duì)稱性，所以在不同的來(lái)浪方向上的受力情況區(qū)別不大，表現(xiàn)在圖像上各個(gè)角度曲線基本重合，均在11 s 之前保持穩(wěn)定，隨后持續(xù)上升；對(duì)于縱搖和縱蕩，90°時(shí)響應(yīng)數(shù)值最小，而0°以及180°方向的波對(duì)于平臺(tái)的影響明顯較大；對(duì)于橫搖和橫蕩，90°來(lái)浪影響較大，而0°以及180°方向的波對(duì)于平臺(tái)的影響則較小；對(duì)于首搖曲線，0°，60°，120°以及180°來(lái)浪方向均在平臺(tái)的對(duì)稱軸上，波浪對(duì)其幾乎沒(méi)有影響，而30°，90°以及150°方向?qū)ζ溆绊懴嗤?，均在周期? s 左右時(shí)達(dá)到最大值。

3.2 加入浮子后的平臺(tái)頻域特性分析

如圖10 所示，在該半潛式平臺(tái)上加入前文設(shè)計(jì)的圓臺(tái)型波浪能浮子，建立模型。設(shè)置波浪能浮子平均吃水為2.56 m，其他工況設(shè)置與上文相同，導(dǎo)入HydroD進(jìn)行計(jì)算分析。

圖11 列出了加入浮子的半潛式平臺(tái)在6 個(gè)自由度上的RAO 計(jì)算結(jié)果。

圖9 未加入浮子的半潛式平臺(tái)六自由度RAOFig.9 Six degree of freedom RAO of semi submersible without floats

圖10 加入浮子后的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力分析模型Fig.10 Hydrodynamic analysis model of semi submersible with floats

首先各個(gè)來(lái)浪方向曲線對(duì)比，由于平臺(tái)依舊具有對(duì)稱性，與無(wú)浮子時(shí)的曲線分析結(jié)果保持一致；縱蕩與橫蕩曲線的總體形狀仍然比較接近，與無(wú)浮子的狀態(tài)相比，周期達(dá)到14 s 之后RAO 在數(shù)值上沒(méi)有太大的區(qū)別，但是注意到，原本出現(xiàn)在6 s 左右的一個(gè)極值點(diǎn)在加入浮子后偏移到了9 s 左右，同時(shí)在2 個(gè)自由度方向上極值的數(shù)值也變的更大了，就單組內(nèi)的曲線趨勢(shì)特征對(duì)比與先前的沒(méi)有太大差別；其次是在垂蕩方向上，可以很明顯看出，加入浮子后，平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)與先前存在明顯的差異，從7 s 開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，11 s 時(shí)已經(jīng)接近最大值，之后基本穩(wěn)定在1.3 左右，可能是由于波浪能浮子的加入，增加了其垂蕩方向上附加質(zhì)量，改變了其固有頻率；橫搖與縱搖曲線在數(shù)值上相較先前擴(kuò)大了2 個(gè)數(shù)量級(jí)，主要區(qū)別出現(xiàn)在10 s 之后。加入浮子后曲線呈現(xiàn)較為光滑地緩慢下降，但是無(wú)浮子時(shí)曲線在15 s 之后仍有較明顯的上升，可以認(rèn)為，波浪浮子的加入有效地抑制了較長(zhǎng)周期波浪對(duì)于平臺(tái)的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖11 加入浮子后的半潛式平臺(tái)六自由度RAOFig.11 Six degree of freedom RAO of semi submersible with floats

本文在普通的浮式風(fēng)能發(fā)電平臺(tái)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出將振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置與半潛式風(fēng)能發(fā)電平臺(tái)結(jié)合的一種風(fēng)浪能混合利用系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，并對(duì)其穩(wěn)性和頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）與單獨(dú)的浮式風(fēng)電平臺(tái)和波浪能發(fā)電裝置相比，本系統(tǒng)可以有效提升海洋能的資源利用效率，同時(shí)降低平臺(tái)建造的成本。由于選用的是半潛式平臺(tái)，該系統(tǒng)可以適用于水深范圍更大的水域，同時(shí)選擇一種圓臺(tái)型振蕩浮子，提高波浪能的利用率。

2）通過(guò)對(duì)于穩(wěn)性的分析校核和對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，首先，無(wú)論是否添加波浪能浮子，平臺(tái)都可以滿足穩(wěn)性的規(guī)范要求；其次，添加了波浪能浮子之后，平臺(tái)整體的復(fù)原力矩有所增加，從而更好地滿足穩(wěn)性要求。

3）通過(guò)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在有無(wú)添加波浪能浮子的2 種狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)方向來(lái)浪對(duì)其六自由度運(yùn)動(dòng)的影響符合平臺(tái)的對(duì)稱性特征；波浪能浮子的加入改變了其垂蕩方向的附加質(zhì)量，且有效地抑制了較長(zhǎng)周期波浪對(duì)于系統(tǒng)平臺(tái)的影響。