Dalğa enerjisi çeviriciləri ayrı-ayrılıqda açıq dənizdə yerləşdirildikdə hər qurğu gələn dalğadan enerji tutmağa çalışır. Lakin çoxsaylı WEC bir-birinə yaxın şəkildə massiv halında yerləşdirildikdə qurğuların yaratdığı səpilmə və radiasiya dalğaları bir-biri ilə qarşılıqlı təsirə girir. Müəyyən dalğa uzunluqlarında bu qarşılıqlı təsir enerjini qurğuların yaxınlığında saxlayan, lakin eyni zamanda enerji çevrilməsini azalda bilən near-trapping, yəni yaxın-tutulma rejimləri yarada bilər.

Bu tədqiqat həmin mənfi təsiri azaltmaq üçün beş şaquli hərəkətli şamandıra tipli WEC-ni açılışı olan, halqa formalı bir moonpool daxilində yerləşdirən enerji fokuslayıcı sistem təklif edir. Moonpool-un əyri daxili divarı yalnız gələn dalğaları əhatə etmir; divardan əks olunan dalğaları da müəyyən WEC-lərin yerləşdiyi sahəyə yönəldərək yerli dalğa enerjisini artırmağı hədəfləyir.

Zaman sahəsində qurulan ədədi hidrodinamik modeldə beş WEC-in hər biri müstəqil xətti PTO sönümləyicisi ilə təmsil edilmişdir. Moonpool açılışının eni, divarın draftı, açılışın istiqaməti, açılışların sayı və dalğanın gəlmə bucağı ayrı-ayrılıqda dəyişdirilmişdir.

Əsas nəticə moonpool açılışının eni \(w\) ilə qonşu WEC-lər arasındakı məsafə \(D\) nisbətinin:

\[ w/D=3,0 \]

olduğu halda enerji fokuslanması ilə near-trapping təsiri arasında ən əlverişli tarazlığın əldə edilməsidir. Bu konfiqurasiyada ümumi massiv qarşılıqlı təsir faktoru təxminən 3–3,1 səviyyəsinə qədər yüksələ bilər. Moonpool draftı WEC draftından böyük olduqda enerji fokuslanma bölgəsindəki arxa WEC-in fərdi qarşılıqlı təsir faktoru təxminən 6 səviyyəsinə yaxınlaşır.

Bununla belə, bu qiymətlər real dənizdə ölçülmüş elektrik istehsalı göstəriciləri deyil. Nəticələr müntəzəm dalğalar altında xətti potensial axın nəzəriyyəsinə və zaman sahəsində ədədi simulyasiyaya əsaslanır.

WEC massivlərində near-trapping niyə problem yaradır?

Şaquli hərəkətli bir şamandıra gələn dalğa ilə yuxarı-aşağı hərəkət edərkən ətrafındakı suya yeni dalğalar yayır. Massivdə birdən çox şamandıra olduqda bu radiasiya dalğaları gələn dalğa və digər qurğulardan səpilən dalğalarla üst-üstə düşür.

Bəzi dalğa uzunluqlarında bu qarşılıqlı təsir konstruktivdir və enerji tutulmasını artıra bilər. Digər şəraitdə isə WEC-lər arasında yerli rezonans bölgələri yaranır. Enerji su sahəsində sıxışıb qalsa da PTO sistemlərinə səmərəli şəkildə ötürülə bilmir. Tədqiqat bu ikinci vəziyyəti near-trapping rejimi kimi nəzərdən keçirir.

Buna görə tədqiqatın əsas sualı yalnız “daha çox dalğa enerjisi içəri necə daxil edilə bilər?” deyil. Əsas sual budur:

Moonpool divarından idarə olunan əksolunmadan istifadə etməklə near-trapping-in mənfi təsirini aradan qaldırmaq mümkündürmü?

Moonpool Bu Sistemdə Nə İşə Yarayır?

Moonpool WEC massivini əhatə edən, lakin dalğanın içəri daxil olmasına imkan verən açılığa malik dairəvi divar quruluşudur. Tədqiqatdakı funksiyası gələn dalğanı tamamilə bloklamaq deyil; dalğanın bir hissəsini içəri aldıqdan sonra onu əyri daxili səthdə əks etdirərək enerjini WEC massivinin müəyyən bölgələrində yenidən cəmləşdirməkdir.

Beş WEC-in həndəsəsi

Dörd silindrik WEC çevrə üzrə mövqelərdə, beşinci WEC isə sistemin mərkəzində yerləşir. Qonşu WEC mərkəzləri arasındakı xarakterik məsafə \(D\)-dir.

Əsas ədədi konfiqurasiyada:

\[ l=10\,m,\qquad D=20\,m,\qquad R=40\,m,\qquad d=2\,m \]

istifadə edilmişdir.

Dalğa Enerjisi Niyə Xüsusilə Arxa WEC-də Cəmləşir?

Moonpool-un daxili divarından əks olunan dalğalar gələn dalğanın istiqamətində massivin arxa tərəfinə doğru yenidən yönəlir. Sərbəst səthin dalğa sahəsi xəritələrində ən böyük amplitud sahələrindən biri xüsusilə 4-cü WEC ətrafında yaranır. Tədqiqat bu mövqeni moonpool əksolunmasının yaratdığı əsas enerji fokuslanma nöqtəsi kimi şərh edir.

Buna görə açıq sudakı klassik kölgələnmə gözləntisinin əksinə olaraq, dalğanın gəlmə istiqamətinin arxasında qalan bir WEC bəzi şəraitlərdə ön sıradakı WEC-lərdən daha çox enerji tuta bilər.

Riyazi modelin əsası

Axın sahəsi xətti potensial axın nəzəriyyəsi ilə təmsil olunur. Ümumi sürət potensialı gələn dalğanın, WEC-lərin hərəkətindən yaranan radiasiya komponentlərinin və konstruksiyaların mövcudluğundan qaynaqlanan difraksiya komponentlərinin cəmi kimi ayrılır.

Axın sahəsində istifadə olunan əsas potensial:

\[ \phi= \sum_{j=1}^{N}u_j\phi_j^R+\phi^I+\phi^D \]

şəklindədir.

Burada:

Rankine panel üsulu

Moonpool divarı, WEC səthləri, sərbəst su səthi və digər hesablama sərhədləri dörd düyünlü panellərə bölünür. Potensial sahə Rankine mənbə funksiyasından istifadə edən sərhəd elementi yanaşması ilə həll edilir.

Sərbəst səth zaman üzrə dördüncü dərəcəli Runge–Kutta inteqrasiyası ilə yenilənir. Hesablama sahəsinin xarici bölgəsində səpilən dalğaların geri əks olunmasının qarşısını almaq üçün süni sönümləmə zonası istifadə olunur.

WEC hərəkəti

Ümumi bir üzən cisim altı sərbəstlik dərəcəsinə malik olsa da, bu tədqiqatda yalnız:

heave — şaquli yerdəyişmə

hərəkəti nəzərə alınmışdır.

WEC hərəkət tənliyi konstruktiv kütləni, əlavə kütləni, radiasiya sönümünü, hidrostatik bərpa qüvvəsini və PTO sönümünü birləşdirir.

PTO sistemi üçün tədqiqatda kütlə və yay komponentləri sıfır qəbul edilmiş:

\[ M_{PTO}=0,\qquad K_{PTO}=0 \]

və enerji hasilatı xətti sönümləmə vasitəsilə modelləşdirilmişdir.

Qarşılıqlı Təsir Faktoru q Nə Deməkdir?

Tədqiqatda \(q\) sistemdəki hidrodinamik qarşılıqlı təsirin tək bir açıq-su WEC-i ilə müqayisədə enerji hasilatını artırıb-azaltmadığını göstərən normallaşdırılmış performans ölçüsüdür.

Tək WEC üçün:

\[ q_{single,j}= \frac{P_j}{P_{iso}} \]

və bütün massiv üçün:

\[ q_{array}= \frac{P_n}{N\,P_{iso}} \]

istifadə olunur.

Bu faktor generator, güc elektronikası və şəbəkə itkilərinin daxil olduğu birbaşa elektrik çevrilmə səmərəliliyi deyil.

Ədədi həll nə qədər həssasdır?

Şəbəkə və zaman addımı həssaslıq analizində üç şəbəkə sıxlığı müqayisə edilmişdir:

\[ dx=\lambda/40,\quad \lambda/20,\quad 3\lambda/40 \]

Ən kobud şəbəkədə WEC hərəkətinin maksimum və minimumlarında %10-u aşan fərqlər müşahidə olunmuşdur. \(dx=\lambda/20\) və \(\lambda/40\) nəticələri böyük ölçüdə üst-üstə düşdüyü üçün hesablama xərci–dəqiqlik tarazlığı məqsədilə:

\[ dx=\lambda/20 \]

seçilmişdir.

Zaman addımı üçün:

\[ dt=T/20,\quad T/30,\quad T/40 \]

müqayisə edilmiş və sonrakı simulyasiyalarda:

\[ dt=T/30 \]

istifadə edilmişdir.

Model necə doğrulanıb?

Üç silindrik WEC-dən ibarət xətti istinad massivi qurulmuş və hesablanan orta interaction factor əyrisi daha əvvəl Ning və əməkdaşları tərəfindən dərc edilmiş ədədi nəticələrlə müqayisə edilmişdir.

İki əyrinin oxşar davranması istifadə olunan zaman sahəli Rankine panel üsulunun eyni problem sinfindəki əvvəlki nəticələri yenidən hasil edə bildiyini dəstəkləyir.

Lakin bu doğrulama fiziki dalğa çəni təcrübəsi ilə aparılmamışdır.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Moonpool açılışının eni

Dörd açılış nisbəti araşdırılmışdır:

Açılış \(w/D=1,0\)-dan \(3,0\)-a böyüdükcə ümumi massiv qarşılıqlı təsir faktoru yüksəlir. Lakin açılış \(4,0\)-a çatdırıldıqda performans yenidən azalır.

Buna görə optimum:

\[ w/D=3,0 \]

kimi bildirilmişdir.

Mənbə bu nöqtədə divardan əks olunan dalğa enerjisi ilə açılışdan xaricə qaçan enerji arasında ən uyğun tarazlığın yarandığını irəli sürür.

w/D = 3 Niyə Ən Yaxşı Nəticəni Verir?

Açılış çox kiçik olarsa kifayət qədər gələn dalğa enerjisi moonpool daxilinə girə bilməz. Açılış çox böyük olarsa daxili divarın effektiv əks etdirici sahəsi azalır və dalğa enerjisi yenidən xaricə qaça bilər. \(w/D=3\), tədqiqatda araşdırılan həndəsədə daxil olan dalğa enerjisi ilə əyri divarın yenidən fokuslama qabiliyyəti arasında ən güclü tarazlığı yaradır.

Bu nisbət universal moonpool dizayn sabiti deyil; yalnız tədqiqatda istifadə olunan həndəsə və model şərtləri altında əldə edilmişdir.

Near-trapping çökəklikləri tamamilə aradan qalxırmı?

Xeyr. \(w/D=3\) konfiqurasiyasında belə \(q_{array}\) əyrisində müəyyən dalğa ədədlərində nəzərəçarpan çökəkliklər qalır.

Mənbə xüsusilə:

\[ kl/\pi\approx0,5,\quad0,9,\quad1,3 \]

ətrafında performans azalmaları bildirir.

Bunlar WEC aralığının müəyyən dalğa uzunluqları ilə rezonansa girərək yerli near-trapping rejimlərini gücləndirdiyi sahələr kimi şərh olunur.

4-cü WEC niyə diqqət çəkir?

\(w/D=3\) şəraitində 4-cü WEC-in fərdi qarşılıqlı təsir faktoru bəzi dalğa ədədlərində:

\[ q_{single}\approx4,7 \]

səviyyəsinə yüksəlir.

Bu nəticə moonpool divarının yaratdığı dalğa fokuslanmasının xüsusilə massivin arxa hissəsində təsirli olduğunu göstərir.

Dirichlet və Neumann rejimləri

Mənbənin əsas wave-field analizində təxminən:

\[ kl/\pi\approx1,0 \]

Dirichlet rejimi,

\[ kl/\pi\approx0,5 \]

isə Neumann rejimi kimi araşdırılır.

Hər iki halda dalğa sahələri moonpool divarı və WEC massivi ətrafında mürəkkəb düyün/qarın strukturları yaradır.

Xüsusilə ən yüksək dalğa amplitudlarından birinin olduğu sahə 4-cü WEC yaxınlığında yerləşir.

Dalğanın gəlmə bucağı

Açılış nisbəti \(w/D=3,0\) sabit saxlanılaraq:

\[ \beta=0^\circ,\;15^\circ,\;30^\circ,\;45^\circ \]

dalğanın gəlmə bucaqları araşdırılmışdır.

Ən güclü ümumi enerji tutulması dalğa birbaşa açılışa yönəldikdə, yəni:

\[ \beta=0^\circ \]

əldə edilmişdir.

Dalğa bucağı 30°-yə yaxınlaşdıqda q faktoru bir çox dalğa ədədində 1-dən aşağı düşür. 45°-də isə bəzi qısa dalğa sahələrində konstruktiv qarşılıqlı təsir yenidən yarana bilər.

Moonpool Niyə Gələn Dalğaya Doğru Yönəldilməlidir?

Açılış birbaşa dalğanın gəlmə istiqamətinə baxdıqda daha çox dalğa enerjisi moonpool daxilinə çatır və əyri daxili divar tərəfindən massivin arxa hissəsinə doğru əks etdirilir. Açılış dalğaya nisbətən döndürüldükdə həm daxil olan enerji azalır, həm də əks olunan dalğaların fokuslanma trayektoriyası WEC massivinin üzərindən sürüşür.

Moonpool draftının təsiri

WEC-in draftı:

\[ d=2\,m \]

sabit saxlanılmış və moonpool üçün:

\[ d_{mp}=1,\;2,\;3,\;5\,m \]

qiymətləri sınaqdan keçirilmişdir.

Near-trapping bölgəsində moonpool draftı artdıqca ümumi massiv faktoru ümumilikdə yüksəlir.

Ön sıradakı WEC-lərin performansı draft dəyişikliyinə nisbətən az həssas olduğu halda, arxadakı 4-cü WEC nəzərəçarpacaq dərəcədə təsirlənir. Bu WEC üçün maksimum fərdi qarşılıqlı təsir faktoru təxminən:

\[ q_{single}\approx5,9 \]

kimi bildirilmişdir.

Mənbədəki draft qeydi

Mənbə eyni bölmədə \(kl/\pi\approx0,5\) qiymətini əvvəlcə Neumann, dərhal sonra isə Dirichlet rejimi adlandırır. Əvvəlki dalğa sahəsi bölməsində istifadə olunan təsnifatla uyğun tərif Neumann-dır; lakin Verianla mənbə adından səssiz düzəliş etmir.

Eyni paraqrafda \(d_{mp}=2\,m\) və \(5\,m\) üçün verilən \(q_{array}\) qiymətləri 0,71 və 0,90 olsa da, fərq %49,1 kimi yazılmışdır. Verilən faizlə yaxınlıqdakı rəqəmlər arasında açıq arifmetik uyğunsuzluq olduğuna görə hər iki məlumat ayrıca qorunmuşdur.

Moonpool açılışının istiqaməti

Moonpool açılışının massivin mərkəz xəttinə görə:

\[ \beta_{mp}=0^\circ,\;30^\circ,\;45^\circ \]

bucaqlarında döndərilməsi araşdırılmışdır.

Bucaq artdıqca konstruktiv qarşılıqlı təsirin müşahidə olunduğu dalğa uzunluğu diapazonu daralır; maksimum daralma mənbədə:

%36,7

kimi bildirilmişdir.

Ən yaxşı ümumi vəziyyət:

\[ \beta_{mp}=0^\circ \]

yəni moonpool açılığının, gələn dalğa istiqamətinin və mərkəz–künc WEC diaqonalının eyni xətt üzrə düzülməsidir.

Bir açılış, yoxsa bir neçə açılış?

Bu sualın cavabı müqayisənin necə aparılmasından asılıdır.

Hər açılışın eni 20 m olduqda iki açılışlı quruluş maksimum:

\[ q_{array}\approx3,1 \]

qiymətinə çatmış və mənbə bunu tək və üç açılışlı konfiqurasiyalardan müvafiq olaraq %107 və %138 daha yüksək göstərmişdir.

Lakin ümumi açılış eni bərabərləşdirildikdə vəziyyət dəyişir. Tək 60 m açılış, üç 20 m açılışla müqayisədə enerji çevrilməsini:

%24,1-ə qədər

artırmışdır.

Fiziki izah budur ki, açılışların sayı artdıqca dalğa enerjisi daha çox nöqtədən xaricə sızır və moonpool daxilində saxlanma müddəti azalır.

Daha Çox Açılış Niyə Həmişə Daha Yaxşı Deyil?

Bir neçə açılış içəriyə daha çox dalğa yolu təmin etməklə yanaşı, moonpool-da toplanan enerjinin xaricə çıxa biləcəyi əlavə yollar da yaradır. Xüsusilə uzun dalğalarda tək açılışın əyri divarla birlikdə yaratdığı daha qapalı həndəsə enerjinin saxlanmasını və yenidən əks olunmasını gücləndirə bilər.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

Tədqiqat göstərir ki, araşdırılan ədədi model çərçivəsində açılışı olan moonpool beşli heaving-buoy WEC massivində near-trapping-dən qaynaqlanan enerji itkilərini müəyyən dalğa diapazonlarında kompensasiya edə bilir; \(w/D=3\) nisbəti araşdırılan açılıqlar arasında ən güclü ümumi performansı verir; dalğa istiqamətinə baxan tək açılış güclü və genişzolaqlı nəticələr yarada bilir; moonpool draftı xüsusilə arxa fokuslanma bölgəsindəki WEC-ə təsir edir və enerji fokuslanması massivdə homogen paylanmır.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

Tədqiqat real dənizdə prototip sınağı aparmır; şəbəkəyə verilən elektrik gücünü ölçmür; PTO mexaniki/elektrik itkilərini tam wave-to-wire modeli ilə təmsil etmir; qeyri-müntəzəm dalğalarda doğrulama aparmır; tam altı sərbəstlik dərəcəsi əvəzinə yalnız heave hərəkətini həll edir; qeyri-xətti qüvvələri, özlülükdən qaynaqlanan itkiləri, elastik moonpool divarını və real xərc/LCOE optimallaşdırmasını əhatə etmir.

Beləliklə, “kommersiya istifadəsi üçün ümidverici” nəticəsi müəlliflərin dizayn potensialına dair çıxarışıdır; bu tədqiqatın özü kommersiya miqyaslı enerji və ya iqtisadi doğrulama təqdim etmir.

Elmi mənası

Tədqiqatın ən mühüm töhfəsi moonpool-u yalnız WEC-ləri əhatə edən passiv dəniz quruluşu kimi deyil, hidrodinamik enerji paylanmasını fəal şəkildə formalaşdıran həndəsi enerji konsentratoru kimi nəzərdən keçirməsidir.

Açıq dənizdə bir-birinə yaxın WEC-lər arasında yaranan near-trapping adətən mənfi massiv təsiri kimi qiymətləndirildiyi halda, bu sistem eyni yerli dalğa sahəsini idarə olunan divar əksolunmaları ilə yenidən təşkil etməyə çalışır.

Nəticələr həmçinin “daha çox WEC” və ya “daha çox açılış” kimi birtərəfli dizayn intuisiyalarının kifayət etmədiyini göstərir. Açılış eni, istiqaməti, divar dərinliyi, dalğanın gəlmə istiqaməti və WEC mövqeyi birlikdə hidrodinamik optimallaşdırma problemi yaradır.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Wave energy extraction performance of heaving buoy WEC arrays deployed within an energy-focusing moonpool

Müəlliflər: Yong Cheng, Jianyou Yu, Deshuang Yu, Saishuai Dai, Zhiming Yuan, Atilla Incecik, Gang Wang

Məsul müəllif: Deshuang Yu.

Qurumlar: Fishery Engineering Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences; School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology; Naval Architecture, Ocean and Marine Engineering Department, University of Strathclyde.

Mənbə növü: Resenziyadan keçməmiş ədədi tədqiqat preprinti.

Platforma: SSRN.

Yüklənmiş PDF-də SSRN Abstract ID: 6867534.

DOI: 10.2139/ssrn.6867534.

Versiya qeydi: Eyni başlıq SSRN-də müxtəlif abstract ID-ləri ilə bir neçə versiya qeydinə malikdir. Verianla qiymətləndirməsi yüklənmiş 6867534 versiyasını əsas götürmüşdür.

Resenziya statusu: PDF-in hər səhifəsində “Preprint not peer reviewed” qeydi var.

Lisenziya: Yüklənmiş versiyada açıq Creative Commons lisenziyası yoxdur; eyni tədqiqatın SSRN versiya qeydlərindən biri “All rights reserved; no reuse without permission” məlumatını verir. Mənbə fiqurları yenidən dərc edilməməlidir.

WEC quruluşu: Beş silindrik heaving-buoy WEC; dörd xarici WEC + bir mərkəzi WEC.

Əsas həndəsə: \(D=2l\), \(R=2D\); əsas ədədi nümunədə \(l=10\,m\), \(D=20\,m\), \(R=40\,m\).

Əsas metod: Xətti potensial axın + zaman sahəli radiasiya/difraksiya ayrıştırması + Rankine panel sərhəd elementi üsulu + 4-cü dərəcəli Runge–Kutta sərbəst səth yenilənməsi + xətti PTO sönümləməsi.

Hərəkət sərbəstliyi: Yalnız heave.

Şəbəkə / zaman ayırdetməsi: \(dx=\lambda/20\), \(dt=T/30\).

Əsas optimal açılış nisbəti: \(w/D=3,0\).

Əsas performans göstəricisi: \(q_{single}\) və \(q_{array}\) interaction factor.

Ən yüksək ümumi massiv faktoru: Parametr müqayisəsindən asılı olaraq təxminən 3–3,1.

Enerji fokuslanma bölgəsindəki WEC: Mənbənin dalğa sahəsi analizində xüsusilə 4-cü WEC.

Arxa WEC üçün yüksək q qiyməti: Moonpool draftının dəyişməsində təxminən 5,9; xülasə bunu təxminən 6 kimi ifadə edir.

Maliyyələşdirmə: National Key Research and Development Program 2024YFD2400804; National Natural Science Foundation of China 52571295, 52271278 və 52111530137; Royal Society Newton Advanced Fellowship NAF\R1\180304.

Maraqların toqquşması: Müəlliflər məlum maliyyə marağı və ya şəxsi münasibət olmadığını bildiriblər.

Müəllif töhfələri: Yong Cheng — doğrulama, formal analiz, ilkin layihə, maliyyələşdirmə və konseptuallaşdırma; Jianyou Yu — metodologiya, proqram təminatı, verilənlərin kurasiyası, yazı və nəzarət; Deshuang Yu — formal analiz və yazı; Saishuai Dai — formal analiz və verilənlərin kurasiyası; Zhiming Yuan — nəzərdən keçirmə və nəzarət; Atilla Incecik — maliyyələşdirmə və nəzarət; Gang Wang — nəzarət.

Mənbədaxili terminologiya qeydi: Moonpool draftı bölməsində \(kl/\pi\approx0,5\) eyni kontekstdə həm Neumann, həm də Dirichlet rejimi adlandırılmışdır.

Mənbədaxili ədədi qeyd: \(q_{array}=0,71\) və \(0,90\) qiymətlərinin yanında %49,1 artım ifadəsi verilmişdir; rəqəmlər və faiz bir-birini birbaşa təsdiqləmədiyi üçün Verianla onları mənbə adından uzlaşdırmamışdır.

Elmi sərhəd: Müntəzəm dalğa, xətti model, ideallaşdırılmış divar və yalnız-heave WEC şərtləri. Qeyri-müntəzəm real dəniz, nonlinear multi-body, elastik moonpool və təkmilləşdirilmiş PTO idarəetməsi sonrakı tədqiqat üçün saxlanılmışdır.

Görsəl istifadə qeydi: Mənbənin moonpool təsvirləri, dalğa sahəsinin rəng xəritələri və q-factor qrafiklərinin orijinal dizaynları birbaşa yenidən istifadə edilməməlidir. Verianla üçün eyni fiziki əlaqələri izah edən müstəqil texniki görsəllər sıfırdan hazırlana bilər.