DOI: https://doi.org/10.2478/pomr-2026-0006
تاريخ النشر: 2026-02-21
المؤلف: Zhiyang Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة طاقة الأمواج والرياح
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير هندسة محولات طاقة الأمواج (WEC) على أداء نظام متكامل يتكون من مجموعة WEC وهيكل عائم كبير جداً (VLFS). باستخدام نموذج عددي قائم على نظرية الجسد المتعدد، وطريقة الشعاع ذات الوحدة المنفصلة (DMB)، وتقنية مضاعف لاغرانج، تتحقق الدراسة من صحة نهج المحاكاة قبل إجراء تحليل بارامتري لمختلف معلمات هندسة WEC – الطول، والعرض، والغاطس، والشكل. تشير النتائج إلى أن كفاءة التقاط الطاقة هي الأكثر حساسية لطول WEC، مع حدوث الأداء الأمثل بالقرب من متوسط فترة الموجة. بالإضافة إلى ذلك، فإن دمج مجموعة WEC يقلل بشكل كبير من الاستجابة الهيدروليكية للـ VLFS، بينما يؤثر الغاطس والشكل لـ WECs بشكل محدود على تشوه الهيكل للـ VLFS.
تخلص الدراسة إلى أن تكوين WECs على شكل مثلث بأبعاد \(L_w = 25 \, \text{m}\)، \(B_w = 12 \, \text{m}\)، و \(d_w = 2 \, \text{m}\) يظهر أداءً متفوقًا ضمن المعلمات الهندسية التي تم تقييمها. ومع ذلك، يُلاحظ أن التحليل مقصور على مجال التردد، مما يشير إلى أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تستكشف الاستجابات الديناميكية للنظام المتكامل تحت ظروف الموجات غير المنتظمة وتكوينات الربط المختلفة في مجال الزمن.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لتطوير الطاقة المتجددة استجابة للاستخدام الواسع لمصادر الطاقة التقليدية والقلق البيئي المتزايد. من بين الخيارات المتجددة، يتم التأكيد على طاقة المحيط، وخاصة طاقة الأمواج، بسبب كثافتها العالية من الطاقة وتوافرها المستمر. تُصنف محولات طاقة الأمواج (WECs) إلى ثلاثة أنواع رئيسية: الأجسام المتذبذبة، وأعمدة الماء المتذبذبة، وأجهزة التجاوز، حيث تُفضل أجهزة الأجسام المتذبذبة لتصميمها البسيط وإمكانية تكوينها في مجموعات. على الرغم من الأبحاث الكبيرة، لا تزال الجدوى التجارية تعيقها تكاليف الطاقة العالية. يُقترح دمج مجموعات WEC مع الهياكل البحرية، مثل الحواجز، كحل لتعزيز التقاط الطاقة مع توفير فوائد هيكلية.
تناقش الورقة العديد من الدراسات التي استكشفت الأنظمة الهجينة التي تجمع بين WECs والحواجز، مما يظهر تحسينًا في امتصاص الطاقة دون المساس بتخفيف الموجات. تشمل النتائج الملحوظة فعالية أنظمة العوامات المزدوجة في توسيع نطاقات تردد التقاط الطاقة ومزايا وضع مجموعات WEC بالقرب من الحواجز لتعظيم التقاط الطاقة وتقليل القوى على الهياكل. ومع ذلك، لم يتم فحص تأثير هندسة WEC على هذه الأنظمة المتكاملة بشكل شامل. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال التحقيق بشكل منهجي في كيفية تأثير شكل WEC ومعلمات الأبعاد على أداء أنظمة مجموعة WEC-VLFS (الهياكل العائمة الكبيرة جداً)، مع التركيز على كفاءة التقاط الطاقة والاستجابة الهيدروليكية. من المتوقع أن يوفر الإطار التحليلي الذي تم تطويره في هذه الدراسة رؤى قيمة لتحسين تصميم أنظمة WEC-VLFS المتكاملة، مما يعزز استخدام المساحات البحرية والجدوى الاقتصادية لتطوير طاقة الأمواج.
النتائج
تدرس الدراسة تأثير هندسة محولات طاقة الأمواج (WEC) على أداء نظام مجموعة WEC وهيكل عائم كبير جداً (VLFS)، مع التركيز بشكل خاص على كفاءة التقاط الطاقة والاستجابة الهيدروليكية في بيئة بحرية ذات فترة موجية سائدة تتراوح بين 5-12 ثانية، بمتوسط 6 ثوانٍ. لتحسين التقاط الطاقة، تم تحديد معامل تخميد سحب الطاقة (PTO) من خلال طريقة بحث عددية، نظرًا لتعقيد النظام. تم إجراء التحليل مع سعة موجية تبلغ 1 متر واتجاه حادث يبلغ 0°. يتم تلخيص المعلمات الرئيسية للـ VLFS في الجدول 1، ويتم تفصيل معلمات WEC في الأقسام الفرعية التالية.
يأخذ تحليل الأداء في الاعتبار أربعة جوانب هندسية لـ WEC: الطول ($L_w$)، والعرض ($B_w$)، والغاطس ($d_w$)، والشكل. تم إجراء تحليل تقارب الشبكة لضمان موثوقية التحقيق العددي، مع تعريف نموذج مرجعي لـ WEC على أنه $L_w = 20$ م، $B_w = 10$ م، و $d_w = 1$ م في شكل مستطيل. تم تطبيق ثلاث استراتيجيات لتفكيك الشبكة – خشنة، ومتوسطة، ودقيقة – مما أدى إلى أعداد متباينة من الألواح لكل من الوحدة الفرعية للـ VLFS و WEC. أشارت المعاملات الهيدروديناميكية المستمدة من هذه الاستراتيجيات إلى أن نتائج الشبكة المتوسطة والدقيقة كانت متقاربة، مما يؤكد تحقيق تقارب الشبكة.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة الديناميات الهيكلية لهيكل عائم كبير جداً (VLFS) تم نمذجته كسلسلة من نقاط الكتلة المركزة المتصلة بعناصر شعاعية، مما يحول المشكلة الهيدروليكية إلى تحليل تشوه هيكلي. يتم استخدام نظرية شعاع أويلر-برنولي لاشتقاق خصائص صلابة الـ VLFS، مما يؤدي إلى صياغة مصفوفة صلابة هيكلية تلتقط العلاقة بين الإزاحات العقدية والقوى. يتم إثبات صحة الطرق العددية، بما في ذلك تقنية مضاعف لاغرانج وطريقة الشعاع المباشرة (DMB)، من خلال المقارنات مع الأدبيات الموجودة، مما يؤكد موثوقية الأساليب المستخدمة في التحليل الهيدروليكي.
تستكشف الدراسة أيضًا تأثير مختلف المعلمات الهندسية لمحول طاقة الأمواج (WECs) على أداء نظام WEC-VLFS المتكامل. تجد أن التقاط الطاقة الأمثل يحدث بالقرب من متوسط فترة الموجة، مع كون طول WEC هو العامل الأكثر تأثيرًا على كفاءة الطاقة. يقلل دمج مجموعة WEC بشكل كبير من الاستجابة الهيدروليكية للـ VLFS، مما يشير إلى أن التشوه الهيكلي أقل حساسية لتغيرات غاطس وشكل WEC. تشير النتائج إلى أن تكوينًا مع WECs على شكل مثلث، بطول 25 م، وعرض 12 م، وغاطس 2 م يقدم أداءً مثاليًا. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية للتحقيق في الاستجابات الديناميكية للنظام المتكامل تحت ظروف الموجات غير المنتظمة.
DOI: https://doi.org/10.2478/pomr-2026-0006
Publication Date: 2026-02-21
Author(s): Zhiyang Zhang et al.
Primary Topic: Wave and Wind Energy Systems
Overview
This study investigates the impact of wave energy converter (WEC) geometry on the performance of an integrated system consisting of a WEC array and a very large floating structure (VLFS). Utilizing a numerical model grounded in multi-body potential theory, the discrete-module-beam (DMB) method, and the Lagrange multiplier technique, the research validates the simulation approach before conducting a parametric analysis of various WEC geometry parameters—length, width, draft, and shape. The findings indicate that the energy capture efficiency is most sensitive to the WEC length, with optimal performance occurring near the average wave period. Additionally, the integration of the WEC array significantly mitigates the hydroelastic response of the VLFS, while the draft and shape of the WECs exert limited influence on the structural deformation of the VLFS.
The study concludes that a configuration of triangular-shaped WECs with dimensions \(L_w = 25 \, \text{m}\), \(B_w = 12 \, \text{m}\), and \(d_w = 2 \, \text{m}\) demonstrates superior performance within the evaluated geometric parameters. However, it is noted that the analysis is confined to the frequency domain, suggesting that future research should explore the dynamic responses of the integrated system under irregular wave conditions and various mooring configurations in the time domain.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent need for renewable energy development in response to the extensive use of traditional energy sources and escalating environmental concerns. Among renewable options, ocean energy, particularly wave energy, is emphasized due to its high energy density and continuous availability. Wave energy converters (WECs) are categorized into three main types: oscillating bodies, oscillating water columns, and overtopping devices, with oscillating-body devices being favored for their simple design and array configuration potential. Despite significant research, commercial viability remains hindered by high energy costs. The integration of WEC arrays with marine structures, such as breakwaters, is proposed as a solution to enhance energy capture while providing structural benefits.
The paper discusses various studies that have explored hybrid systems combining WECs with breakwaters, demonstrating improved energy absorption without compromising wave attenuation. Notable findings include the effectiveness of dual-floater systems in broadening energy capture frequency bands and the advantages of positioning WEC arrays close to breakwaters to maximize energy capture and minimize forces on the structures. However, the influence of WEC geometry on these integrated systems has not been thoroughly examined. This study aims to fill this gap by systematically investigating how WEC shape and dimensional parameters affect the performance of WEC array-VLFS (Very Large Floating Structures) systems, focusing on energy capture efficiency and hydroelastic response. The analytical framework developed in this research is expected to provide valuable insights for optimizing the design of integrated WEC-VLFS systems, thereby enhancing marine space utilization and the economic feasibility of wave energy development.
Results
The study examines the impact of wave energy converter (WEC) geometry on the performance of an integrated WEC array and very large floating structure (VLFS) system, particularly focusing on energy capture efficiency and hydroelastic response in a marine environment with a predominant wave period of 5-12 seconds, averaging at 6 seconds. To optimize energy capture, the power take-off (PTO) damping coefficient was determined through a numerical search method, given the complexity of the system. The analysis was conducted with a wave amplitude of 1 meter and an incident direction of 0°. Key parameters of the VLFS are summarized in Table 1, and the WEC parameters are detailed in subsequent subsections.
The performance analysis considers four geometric aspects of the WEC: length ($L_w$), width ($B_w$), draft ($d_w$), and shape. A mesh convergence analysis was performed to ensure the reliability of the numerical investigation, with a reference model for the WEC defined as $L_w = 20$ m, $B_w = 10$ m, and $d_w = 1$ m in a rectangular shape. Three mesh discretization strategies—coarse, medium, and fine—were applied, resulting in varying numbers of panels for both the VLFS sub-module and the WEC. The hydrodynamic coefficients derived from these strategies indicated that the medium and fine mesh results were closely aligned, confirming that mesh convergence was achieved.
Discussion
In this section, the research discusses the structural dynamics of a Very Large Floating Structure (VLFS) modeled as a series of concentrated mass points connected by beam elements, transforming the hydroelastic problem into a structural deformation analysis. The Euler-Bernoulli beam theory is employed to derive the stiffness properties of the VLFS, leading to the formulation of a structural stiffness matrix that captures the relationship between nodal displacements and forces. The validation of the numerical methods, including the Lagrange multiplier technique and the Direct Method of Beam (DMB), is demonstrated through comparisons with existing literature, confirming the reliability of the approaches used for hydroelastic analysis.
The study further explores the impact of various geometric parameters of Wave Energy Converters (WECs) on the performance of the integrated WEC-VLFS system. It finds that the optimal energy capture occurs near the average wave period, with WEC length being the most influential factor on energy efficiency. The integration of the WEC array significantly reduces the hydroelastic response of the VLFS, indicating that the structural deformation is less sensitive to WEC draft and shape variations. The findings suggest that a configuration with triangular-shaped WECs, a length of 25 m, a width of 12 m, and a draft of 2 m offers optimal performance. Future research is recommended to investigate the dynamic responses of the integrated system under irregular wave conditions.