Толкун энергиясын өзгөрткүчтөр өз-өзүнчө ачык деңизге жайгаштырылганда ар бир түзмөк келген толкундан энергия кармоого аракет кылат. Бирок көп сандагы WEC бири-бирине жакын массив түрүндө жайгаштырылганда түзмөктөр пайда кылган чачыроо жана радиация толкундары өз ара аракеттенет. Айрым толкун узундуктарында бул өз ара аракеттенүү энергияны түзмөктөрдүн жанында кармап турган, бирок ошол эле учурда энергияны өзгөртүүнү азайтышы мүмкүн болгон near-trapping, башкача айтканда жакын кармалып калуу режимдерин түзүшү мүмкүн.

Бул изилдөө аталган терс таасирди азайтуу үчүн тик термелүүчү буй тибиндеги беш WECти тешиги бар, шакек сымал moonpool ичине жайгаштырган энергияны фокустоочу системаны сунуштайт. Moonpoolдун ийри ички дубалы келген толкундарды гана курчап калбастан, дубалдан чагылган толкундарды да белгилүү WECтер жайгашкан аймакка багыттап, жергиликтүү толкун энергиясын жогорулатууну көздөйт.

Убакыт аймагында түзүлгөн сандык гидродинамикалык моделде беш WECтин ар бири өз алдынча сызыктуу PTO басаңдаткычы менен көрсөтүлгөн. Moonpool тешигинин туурасы, дубалдын чөмүлүү тереңдиги, тешиктин багыты, тешиктердин саны жана толкундун келүү бурчу өз-өзүнчө өзгөртүлгөн.

Негизги жыйынтык moonpool тешигинин туурасы \(w\) менен коңшу WECтердин аралыгы \(D\) ортосундагы катыш:

\[ w/D=3,0 \]

болгондо энергияны фокустоо менен near-trapping таасиринин ортосунда эң ыңгайлуу тең салмак алынары болуп саналат. Бул конфигурацияда массивдин жалпы өз ара аракеттенүү фактору болжол менен 3–3,1 деңгээлине чейин көтөрүлүшү мүмкүн. Moonpoolдун чөмүлүү тереңдиги WECтин чөмүлүү тереңдигинен чоң болгондо энергия фокусталган аймактагы арткы WECтин жеке өз ара аракеттенүү фактору болжол менен 6 деңгээлине жакындайт.

Бирок бул маанилер чыныгы деңизде өлчөнгөн электр энергиясын өндүрүү көрсөткүчтөрү эмес. Натыйжалар туруктуу толкундар шартында сызыктуу потенциалдык агым теориясына жана убакыт аймагындагы сандык симуляцияга негизделет.

WEC массивдеринде near-trapping эмне үчүн көйгөй жаратат?

Тик термелүүчү буй келген толкун менен өйдө-төмөн кыймылдаганда айланасындагы сууга жаңы толкундарды таратат. Массивде бир нече буй болгондо бул радиация толкундары келген толкун жана башка түзмөктөрдөн чачыраган толкундар менен кабатташат.

Айрым толкун узундуктарында бул өз ара аракеттенүү конструктивдүү болуп, энергия кармоону жогорулатышы мүмкүн. Башка шарттарда WECтердин ортосунда жергиликтүү резонанс аймактары пайда болот. Энергия суу мейкиндигинде камалып калганына карабастан, PTO системаларына натыйжалуу өткөрүлбөйт. Изилдөө ушул экинчи абалды near-trapping режими катары карайт.

Ошондуктан изилдөөнүн негизги суроосу “ичкери көбүрөөк толкун энергиясын кантип киргизүүгө болот?” деген суроо менен гана чектелбейт. Негизги суроо:

Moonpool дубалынан башкарылуучу чагылууну колдонуу менен near-trappingдин терс таасирин жеңүүгө болобу?

Moonpool Бул Системада Эмне Кызмат Аткарат?

Moonpool — WEC массивин курчап турган, бирок толкундун ичкери киришине мүмкүндүк берген тешиги бар тегерек дубал түзүлүшү. Анын бул изилдөөдөгү милдети келген толкунду толугу менен тосуу эмес; толкундун бир бөлүгүн ичкери киргизгенден кийин аны ийри ички беттен чагылдырып, энергияны WEC массивинин белгилүү аймактарында кайра топтоо.

Беш WECтин геометриясы

Төрт цилиндр түрүндөгү WEC айланадагы позицияларда, бешинчи WEC болсо системанын борборунда жайгашкан. Коңшу WEC борборлорунун ортосундагы мүнөздүү аралык \(D\) болуп саналат.

Негизги сандык конфигурацияда:

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

колдонулган.

Толкун Энергиясы Эмне Үчүн Өзгөчө Арткы WECте Топтолот?

Moonpoolдун ички дубалынан чагылган толкундар келген толкун багыты боюнча массивдин арткы тарабына кайра багытталат. Эркин беттин толкун талаасынын карталарында эң чоң амплитуда аймактарынын бири өзгөчө 4-WECтин айланасында пайда болот. Изилдөө бул орунду moonpool чагылуусу түзгөн негизги энергия фокустоо чекити катары чечмелейт.

Ошондуктан ачык суудагы классикалык көлөкөлөө күтүүсүнө каршы, толкун келүү багытынын артында калган WEC айрым шарттарда алдыңкы катардагы WECтерге караганда көбүрөөк энергия кармай алат.

Математикалык моделдин негизи

Агым талаасы сызыктуу потенциалдык агым теориясы менен көрсөтүлөт. Жалпы ылдамдык потенциалы келген толкундун, WECтердин кыймылынан пайда болгон радиация компоненттеринин жана конструкциялардын болушунан келип чыккан дифракция компоненттеринин суммасы катары ажыратылат.

Агым талаасында колдонулган негизги потенциал:

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

түрүндө берилет.

Бул жерде:

Rankine панель ыкмасы

Moonpool дубалы, WEC беттери, эркин суу бети жана башка эсептөө чектери төрт түйүндүү панелдерге бөлүнөт. Потенциал талаасы Rankine булак функциясын колдонгон чектик элементтер ыкмасы менен чечилет.

Эркин бет убакыт боюнча төртүнчү тартиптеги Runge–Kutta интеграциясы менен жаңыланат. Эсептөө аймагынын сырткы бөлүгүндө чачыраган толкундардын кайра чагылуусун алдын алуу үчүн жасалма басаңдатуу аймагы колдонулат.

WEC кыймылы

Жалпы сүзүүчү дене алты эркиндик даражасына ээ болсо да, бул изилдөөдө бир гана:

heave — тик которулуу

кыймылы эске алынган.

WEC кыймыл теңдемеси конструкциялык массаны, кошумча массаны, радиациялык басаңдоону, гидростатикалык калыбына келтирүү күчүн жана PTO басаңдоосун бириктирет.

PTO системасы үчүн изилдөөдө масса жана пружина компоненттери нөлгө барабар деп кабыл алынган:

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

жана энергия алуу сызыктуу басаңдатуу аркылуу моделденген.

Өз Ара Аракеттенүү Фактору q Эмнени Билдирет?

Изилдөөдө \(q\) системадагы гидродинамикалык өз ара аракеттенүүнүн бир ачык-суу WECине салыштырмалуу энергия алууну көбөйтүп же азайтып жатканын көрсөткөн нормалдаштырылган натыйжалуулук өлчөмү.

Бир WEC үчүн:

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

жана бүт массив үчүн:

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

колдонулат.

Бул фактор генератор, күч электроникасы жана электр тармагынын жоготуулары кошулган түз электрдик өзгөртүү натыйжалуулугу эмес.

Сандык чечим канчалык сезгич?

Тор жана убакыт кадамынын сезгичтик анализинде үч тор тыгыздыгы салыштырылган:

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

Эң орой тордо WEC кыймылынын максимум жана минимумдарында %10дон ашкан айырмачылыктар байкалган. \(dx=\lambda/20\) жана \(\lambda/40\) натыйжалары негизинен дал келгендиктен эсептөө чыгымы–тактык тең салмагы үчүн:

\[ dx=\lambda/20 \]

тандалган.

Убакыт кадамы үчүн:

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

салыштырылып, кийинки симуляцияларда:

\[ dt=T/30 \]

колдонулган.

Модель кантип текшерилди?

Үч цилиндр түрүндөгү WECтен турган сызыктуу эталондук массив түзүлүп, эсептелген орточо interaction factor ийри сызыгы мурда Ning жана кесиптештери жарыялаган сандык натыйжалар менен салыштырылган.

Эки ийри сызыктын окшош жүрүм-туруму колдонулган убакыт аймагындагы Rankine панель ыкмасы ушул эле көйгөй классы боюнча мурунку натыйжаларды кайра чыгара аларын колдойт.

Бирок бул текшерүү физикалык толкун резервуары тажрыйбасына каршы жүргүзүлгөн эмес.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Moonpool тешигинин туурасы

Төрт тешик катышы изилденген:

Тешик \(w/D=1,0\)ден \(3,0\)гө чейин чоңойгон сайын массивдин жалпы өз ара аракеттенүү фактору жогорулайт. Бирок тешик \(4,0\)гө чейин чоңойтулганда натыйжалуулук кайра төмөндөйт.

Ошондуктан оптималдуу мааниси:

\[ w/D=3,0 \]

деп билдирилген.

Булак ушул чекитте дубалдан чагылган толкун энергиясы менен тешиктен сыртка чыгып кеткен энергиянын ортосунда эң ылайыктуу тең салмак түзүлөт деп болжолдойт.

w/D = 3 Эмне Үчүн Эң Жакшы Натыйжа Берет?

Тешик өтө кичине болсо, жетиштүү келген толкун энергиясы moonpool ичине кире албайт. Тешик өтө чоң болсо, ички дубалдын натыйжалуу чагылдыруучу аянты азайып, толкун энергиясы кайра сыртка чыгып кетиши мүмкүн. \(w/D=3\) изилденген геометрияда ичкери кирген толкун энергиясы менен ийри дубалдын кайра фокустоо жөндөмүнүн ортосунда эң күчтүү тең салмакты түзөт.

Бул катыш универсалдуу moonpool долбоорлоо туруктуусу эмес; ал изилдөөдө колдонулган геометрия жана модель шарттары үчүн гана алынган.

Near-trapping төмөндөөлөрү толугу менен жоголобу?

Жок. \(w/D=3\) конфигурациясында да \(q_{array}\) ийри сызыгында айрым толкун сандарында ачык төмөндөөлөр калат.

Булак өзгөчө:

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

чамасында натыйжалуулуктун төмөндөшүн билдирет.

Булар WEC аралык белгилүү толкун узундуктары менен резонанска кирип, жергиликтүү near-trapping режимдерин күчөткөн аймактар катары чечмеленет.

4-WEC эмне үчүн көңүл бурат?

\(w/D=3\) шартында 4-WECтин жеке өз ара аракеттенүү фактору айрым толкун сандарында:

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

деңгээлине көтөрүлөт.

Бул жыйынтык moonpool дубалы түзгөн толкун фокустоосу өзгөчө массивдин арткы бөлүгүндө натыйжалуу экенин көрсөтөт.

Dirichlet жана Neumann режимдери

Булактын негизги wave-field анализинде болжол менен:

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

Dirichlet режими,

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

болсо Neumann режими катары изилденет.

Эки учурда тең толкун талаалары moonpool дубалы жана WEC массивинин айланасында татаал түйүн/антитүйүн түзүлүштөрүн пайда кылат.

Айрыкча толкун амплитудасы эң жогору болгон аймактардын бири 4-WECтин жанында жайгашат.

Толкундун келүү бурчу

Тешик катышы \(w/D=3,0\) туруктуу кармалып:

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

толкундун келүү бурчтары изилденген.

Эң күчтүү жалпы энергия кармоо толкун тешикке түз багытталганда, башкача айтканда:

\[ \beta=0^\circ \]

алынган.

Толкун бурчу 30°га жакындаганда q фактору көп толкун сандарында 1ден төмөн түшөт. 45°да болсо айрым кыска толкун аймактарында конструктивдүү өз ара аракеттенүү кайра пайда болушу мүмкүн.

Moonpool Эмне Үчүн Келген Толкунга Каратыла Туруп Жайгаштырылышы Керек?

Тешик толкундун келүү багытына түз караганда moonpool ичине көбүрөөк толкун энергиясы жетип, ийри ички дубал тарабынан массивдин арткы бөлүгүнө карай чагылдырылат. Тешик толкунга салыштырмалуу бурулганда ичкери кирген энергия да азаят, чагылган толкундардын фокустоо траекториясы да WEC массивинин үстүнөн жылат.

Moonpoolдун чөмүлүү тереңдигинин таасири

WECтин чөмүлүү тереңдиги:

\[ d=2\,m \]

туруктуу кармалып, moonpool үчүн:

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

маанилери сыналган.

Near-trapping аймагында moonpoolдун чөмүлүү тереңдиги өскөн сайын массивдин жалпы фактору жалпысынан жогорулайт.

Алдыңкы катардагы WECтердин натыйжалуулугу чөмүлүү тереңдигинин өзгөрүшүнө салыштырмалуу аз сезгич болсо, арткы 4-WEC ачык түрдө таасирленет. Бул WEC үчүн максималдуу жеке өз ара аракеттенүү фактору болжол менен:

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

деп билдирилген.

Булактагы чөмүлүү тереңдиги боюнча эскертүү

Булак ошол эле бөлүмдө \(kl/\pi\approx0,5\) маанисин адегенде Neumann, андан кийин дароо Dirichlet режими деп атайт. Мурунку толкун талаасы бөлүмүндө колдонулган классификацияга шайкеш аныктама Neumann болуп саналат; бирок Verianla булактын атынан үнсүз түзөтүү киргизбейт.

Ошол эле абзацта \(d_{mp}=2\,m\) жана \(5\,m\) үчүн берилген \(q_{array}\) маанилери 0,71 жана 0,90 болгонуна карабастан, айырма %49,1 деп жазылган. Берилген пайыз менен жанындагы сандардын ортосунда ачык арифметикалык шайкешсиздик болгондуктан, эки маалымат өз-өзүнчө сакталган.

Moonpool тешигинин багыты

Moonpool тешигинин массивдин борбордук сызыгына карата:

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

бурчтарда бурулушу изилденген.

Бурч чоңойгон сайын конструктивдүү өз ара аракеттенүү байкалган толкун узундуктарынын диапазону тарыйт; максималдуу тарылуу булакта:

%36,7

деп билдирилген.

Эң жакшы жалпы абал:

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

башкача айтканда moonpool тешиги, келген толкун багыты жана борбор–бурч WEC диагоналы бир сызыкка келтирилген абал.

Бир тешикпи же бир нече тешикпи?

Бул суроонун жообу салыштыруу кандай жүргүзүлгөнүнө жараша болот.

Ар бир тешиктин туурасы 20 m болгондо эки тешиктүү түзүлүштүн максималдуу мааниси:

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

чейин жеткен жана булак муну бир жана үч тешиктүү конфигурациялардан тиешелүүлүгүнө жараша %107 жана %138 жогору деп көрсөткөн.

Бирок жалпы тешик туурасы теңделгенде абал өзгөрөт. Бир 60 m тешик үч 20 m тешикке салыштырмалуу энергияны өзгөртүүнү:

%24,1ге чейин

жогорулаткан.

Физикалык түшүндүрмө — тешиктердин саны көбөйгөн сайын толкун энергиясы көбүрөөк чекиттен сыртка чыгып, moonpool ичинде кармалуу убактысы кыскарат.

Көбүрөөк Тешик Эмне Үчүн Ар Дайым Жакшы Эмес?

Бир нече тешик ичкери көбүрөөк толкун жолу менен камсыз кылуу менен бирге moonpoolдо топтолгон энергия сыртка чыгып кете турган кошумча жолдорду да түзөт. Өзгөчө узун толкундарда бир тешиктин ийри дубал менен бирге түзгөн жабыкыраак геометриясы энергияны кармоону жана кайра чагылдырууну күчөтүшү мүмкүн.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

Изилдөө каралган сандык моделдин шартында тешиги бар moonpool беш heaving-buoy WEC массивиндеги near-trappingден келип чыккан энергия жоготууларын белгилүү толкун диапазондорунда компенсациялай аларын; \(w/D=3\) катышы каралган тешиктердин арасында эң күчтүү жалпы натыйжалуулукту берерин; толкун багытына караган бир тешик күчтүү жана кең тилкелүү натыйжаларды бере аларын; moonpoolдун чөмүлүү тереңдиги өзгөчө арткы фокустоо аймагындагы WECке таасир этерин жана энергиянын фокусталышы массив боюнча бир тектүү бөлүштүрүлбөй турганын көрсөтөт.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар

Изилдөө чыныгы деңизде прототип сыноосун жүргүзбөйт; тармакка берилген электр кубатын өлчөбөйт; PTO механикалык/электрдик жоготууларын толук wave-to-wire модели менен көрсөтпөйт; тартипсиз толкундарда текшерүү жүргүзбөйт; толук алты эркиндик даражасынын ордуна heave кыймылын гана чечет; сызыктуу эмес күчтөрдү, илешкектүүлүктөн келип чыккан жоготууларды, ийкемдүү moonpool дубалын жана реалдуу чыгым/LCOE оптималдаштыруусун камтыбайт.

Ошондуктан “коммерциялык колдонуу үчүн келечектүү” деген жыйынтык авторлордун долбоор потенциалы тууралуу тыянагы; бул изилдөөнүн өзү коммерциялык масштабдагы энергия же экономикалык текшерүү сунуштабайт.

Илимий мааниси

Изилдөөнүн эң маанилүү салымы moonpoolду WECтерди гана курчаган пассивдүү деңиз конструкциясы катары эмес, гидродинамикалык энергия бөлүштүрүлүшүн активдүү түрдө калыптандырган геометриялык энергия концентратору катары кароосунда.

Ачык деңизде бири-бирине жакын WECтердин ортосунда пайда болгон near-trapping көбүнчө терс массив таасири катары бааланса, бул система ошол эле жергиликтүү толкун талаасын башкарылуучу дубал чагылуулары менен кайра уюштурууга аракет кылат.

Натыйжалар ошондой эле “көбүрөөк WEC” же “көбүрөөк тешик” сыяктуу бир багыттуу долбоор интуициялары жетишсиз экенин көрсөтөт. Тешиктин туурасы, багыты, дубалдын тереңдиги, толкундун келүү багыты жана WECтин жайгашуусу биргелешип гидродинамикалык оптималдаштыруу көйгөйүн түзөт.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

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

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

Жооптуу автор: Deshuang Yu.

Мекемелер: 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.

Булактын түрү: Рецензиядан өтпөгөн сандык изилдөө препринти.

Платформа: SSRN.

Жүктөлгөн PDFтеги SSRN Abstract ID: 6867534.

DOI: 10.2139/ssrn.6867534.

Версия боюнча эскертүү: Ушул эле аталыш SSRNде ар башка abstract IDлер менен бир нече версиялык жазууга ээ. Verianla баалоосу жүктөлгөн 6867534 версиясын негиз кылган.

Рецензия статусу: PDFтин ар бир бетинде “Preprint not peer reviewed” деп белгиленген.

Лицензия: Жүктөлгөн версияда ачык Creative Commons лицензиясы жок; ошол эле изилдөөнүн SSRN версиялык жазууларынын бири “All rights reserved; no reuse without permission” деген маалыматты берет. Булактагы фигуралар кайра жарыяланбашы керек.

WEC түзүлүшү: Беш цилиндр түрүндөгү heaving-buoy WEC; төрт тышкы WEC + бир борбордук WEC.

Негизги геометрия: \(D=2l\), \(R=2D\); негизги сандык мисалда \(l=10\,m\), \(D=20\,m\), \(R=40\,m\).

Негизги ыкма: Сызыктуу потенциалдык агым + убакыт аймагындагы радиация/дифракция ажыратуусу + Rankine панелдик чектик элементтер ыкмасы + 4-тартиптеги Runge–Kutta эркин бет жаңыртуусу + сызыктуу PTO басаңдатуусу.

Кыймыл эркиндиги: Heave гана.

Тор / убакыт чечилиши: \(dx=\lambda/20\), \(dt=T/30\).

Негизги оптималдуу тешик катышы: \(w/D=3,0\).

Негизги натыйжалуулук көрсөткүчү: \(q_{single}\) жана \(q_{array}\) interaction factor.

Эң жогорку жалпы массив фактору: Параметрлерди салыштырууга жараша болжол менен 3–3,1.

Энергия фокусталган аймактагы WEC: Булактын толкун талаасы анализинде өзгөчө 4-WEC.

Арткы WEC үчүн жогорку q мааниси: Moonpoolдун чөмүлүү тереңдиги өзгөргөндө болжол менен 5,9; кыскача мазмунда бул болжол менен 6 деп берилет.

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

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор белгилүү каржылык кызыкчылык же жеке мамиле жок экенин билдиришкен.

Авторлордун салымдары: Yong Cheng — текшерүү, формалдык талдоо, алгачкы долбоор, каржылоо жана концептуалдаштыруу; Jianyou Yu — методология, программалык камсыздоо, маалыматтарды курациялоо, жазуу жана көзөмөл; Deshuang Yu — формалдык талдоо жана жазуу; Saishuai Dai — формалдык талдоо жана маалыматтарды курациялоо; Zhiming Yuan — карап чыгуу жана көзөмөл; Atilla Incecik — каржылоо жана көзөмөл; Gang Wang — көзөмөл.

Булак ичиндеги терминология боюнча эскертүү: Moonpoolдун чөмүлүү тереңдиги бөлүмүндө \(kl/\pi\approx0,5\) ошол эле контекстте Neumann да, Dirichlet режими да деп аталган.

Булак ичиндеги сандык эскертүү: \(q_{array}=0,71\) жана \(0,90\) маанилеринин жанында %49,1 өсүү деген билдирүү берилген; сандар менен пайыз бири-бирин түздөн-түз ырастабагандыктан Verianla аларды булактын атынан шайкеш келтирген эмес.

Илимий чектөө: Туруктуу толкун, сызыктуу модель, идеалдаштырылган дубал жана heave-only WEC шарттары. Тартипсиз чыныгы деңиз, nonlinear multi-body, ийкемдүү moonpool жана өркүндөтүлгөн PTO башкаруусу кийинки изилдөөгө калтырылган.

Көрсөтмө материалдарды колдонуу боюнча эскертүү: Булактагы moonpool сүрөттөрүнүн, толкун талаасынын түстүү карталарынын жана q-factor графиктеринин түпнуска дизайндары түздөн-түз кайра колдонулбашы керек. Verianla үчүн ошол эле физикалык байланыштарды түшүндүргөн көз карандысыз техникалык визуалдар нөлдөн даярдалышы мүмкүн.