段斐

摘要——本文基于一個典型的2.14MW的浮式光伏陣列，基于三維勢流理論建立了數(shù)值模型，對其運動和系泊纜張力特性進行了分析。研究了波浪載荷、風(fēng)載荷和水流載荷作用下浮式系統(tǒng)的運動和系泊纜張力特征。通過研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)載荷對浮式光伏陣列的運動和系泊張力影響最大，波浪和水流對響應(yīng)的影響非常有限。

關(guān)鍵詞-浮式光伏;系泊系統(tǒng);環(huán)境載荷;動力響應(yīng)

1 背景介紹

陸地光伏電站的發(fā)展需要大面積的建設(shè)用地，很容易在植被保護、農(nóng)業(yè)規(guī)劃和城市發(fā)展方面發(fā)生用地沖突。在水庫、湖泊和廢棄水體上應(yīng)用浮式光伏電站是一個很好的替代方案。浮式光伏電站重新利用了閑置水面，還可以利用水蒸發(fā)來起到自然降溫的冷卻效果[1]。浮式光伏可覆蓋水面，減少因蒸發(fā)而造成的水分損失[2]。Dai等人[3]分析了浮體的結(jié)構(gòu)強度，數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較表明，有限元法可以很好地模擬浮子的位移。Li等人[4]利用三維勢理論研究了浮體的水動力性能和波浪荷載，通過有限元分析浮體的應(yīng)力分布表明高密度聚乙烯（HDPE）能滿足結(jié)構(gòu)強度要求。Kim等人[5]介紹了一種由纖維增強聚合物（FRP）制成的浮式光伏浮體，并根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范研究了浮式光伏陣列的系泊張力。

本文研究了浮式光伏在波浪、風(fēng)和海流條件下的動態(tài)響應(yīng)。以一個典型的浮式光伏陣列為研究對象，利用位勢理論和系泊纜動力學(xué)模型建立了數(shù)值模型，研究浮式光伏在波浪載荷、風(fēng)載荷和水流載荷作用下的系泊張力和位移，并對浮式光伏陣列上的關(guān)鍵載荷進行了分析。

2. 數(shù)值模型

1）模型介紹

浮式光伏系統(tǒng)的主要部件包括光伏板、浮體和系泊系統(tǒng)。圖1給出了浮動模塊的典型布置，包括用于通行的走道浮體和用于在水中支撐光伏板的光伏板浮體。浮體由HDPE制成，在水體中能保證足夠的結(jié)構(gòu)強度和耐用性。浮式光伏系統(tǒng)的吃水深度一般設(shè)計為30-60mm，這是由于浮體提供的浮力較大，并且光伏板的重量較輕。

圖2所示為典型2.14MW浮式光伏陣列系泊系統(tǒng)的布置方式。該陣列包括84排56列浮體、4704塊光伏板和124條系泊纜。由不銹鋼鋼絲繩制造的系泊纜設(shè)計為“V”型，其中兩條纜繩連接一個共用錨點?？紤]到25年使用年限內(nèi)水體平均10m的水深及其水位變化，系泊纜長度設(shè)計為20m。

2）環(huán)境載荷

水體中的浮式光伏承受波浪載荷、水流載荷和風(fēng)荷載。由于內(nèi)陸水體相對海洋封閉，因此波浪是浮式光伏的次要環(huán)境載荷。浮式光伏陣列的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分困難，為了滿足網(wǎng)格劃分的要求，本文對數(shù)值模型進行了簡化。原始和簡化模態(tài)的水平面面積保持不變。圖3為浮式光伏陣列的水動力模型。

風(fēng)荷載和水流荷載的計算公式如下：

（1）

其中F是風(fēng)/水流載荷， Cd和ρ分別是阻力系數(shù)和流體密度，A是投影面積，v是風(fēng)/水流的速度。

各工況定義如Table.1所示。工況1～ 工況3中研究了波浪載荷（計算中采用規(guī)則波）、風(fēng)載荷和水流載荷對浮式光伏陣列動力響應(yīng)和系泊張力的影響。環(huán)境荷載的方向定義為Y方向，因為該方向上的荷載最危險。

3. 結(jié)果及分析

根據(jù)第2節(jié)所述的數(shù)值模型，分析浮式光伏陣列的運動位移和系泊張力。由于懸鏈線理論不適用于張緊系泊纜的情況，因此系泊纜由動力學(xué)模型模擬。Fig.4（a）表示了在波浪（工況1）作用下所有系泊纜的最大動態(tài)系泊張力。系泊張力隨波高的增加略有增加，然而陣列的最大位移卻顯著增加，如Fig.4（b）所示。工況1中的波高較小，浮式光伏陣列的運動小于系泊纜張緊引起的最小位移。因此在工況1中，系泊纜保持松弛，系泊張力在運動過程中略有變化。

如Fig.5（a）所示，在工況2條件下，流速從0.4m/s增加到1.5m/s。如Fig.5（b）所示，除流速為0.4m/s的情況外，浮式光伏陣列的Y位移為恒定的2.8m。由于浮式光伏陣列吃水較淺，與風(fēng)荷載相比，水流荷載較小。當流速為0.4m/s時，系泊纜重力產(chǎn)生的張力抵消了當前荷載，系泊纜并未完全張緊，在不改變位移的情況下，當前荷載的增長會導(dǎo)致系泊張力的增加。Fig.5（b）還表明，當陣列的運動小于2.8m時，系泊纜松弛，這就是工況1不會造成較大系泊張力的原因。

Fig.6給出了浮式光伏在風(fēng)載荷（工況3）條件下的響應(yīng)。與工況1和工況2的結(jié)果相比，不難發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載產(chǎn)生的系泊張力遠大于波浪和海流荷載產(chǎn)生的系泊張力。這意味著風(fēng)是浮式光伏陣列系泊布置設(shè)計的最關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。由于光伏板傾斜安裝，每個光伏板都有一個投影風(fēng)面積，最后疊加后的總面積很大。與水流載荷作用下的響應(yīng)結(jié)果類似，位移保持不變，穩(wěn)定在2.9m。

4 結(jié)論

本文研究了浮式光伏陣列在不同環(huán)境條件下的動態(tài)響應(yīng)，得出如下結(jié)論：

（1）風(fēng)荷載是浮式光伏陣列系泊張力和位移的主要荷載。當運動恒定時，系泊張力隨風(fēng)速的增加而增加

（2）在波浪作用下，當波高變大時，浮式光伏的運動振幅增大;但由于系泊纜未張緊，波高變大時，系泊張力較小且變化也較小。

參考文獻：

[1] Cazzaniga， R.， Cicu， M.， Rosa-Clot， M.， Rosa-Clot， P.， Tina， G. M.， & Ventura， C. （2018）. Floating photovoltaic plants： Performance analysis and design solutions. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 81（June 2017）， 1730–1741.

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[4] Li， W.， Zhou， L. L.， Gan， J.， & Wu， W. G. （2018）. Finite element analysis of photovoltaic floating body based on design wave method. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference， 2018-June， 775–781.

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