浮式光伏系泊系统动力响应特性研究

段斐

摘要——本文基于一个典型的2.14MW的浮式光伏阵列，基于三维势流理论建立了数值模型，对其运动和系泊缆张力特性进行了分析。研究了波浪载荷、风载荷和水流载荷作用下浮式系统的运动和系泊缆张力特征。通过研究发现，风载荷对浮式光伏阵列的运动和系泊张力影响最大，波浪和水流对响应的影响非常有限。

关键词-浮式光伏;系泊系统;环境载荷;动力响应

1 背景介绍

陆地光伏电站的发展需要大面积的建设用地，很容易在植被保护、农业规划和城市发展方面发生用地冲突。在水库、湖泊和废弃水体上应用浮式光伏电站是一个很好的替代方案。浮式光伏电站重新利用了闲置水面，还可以利用水蒸发来起到自然降温的冷却效果[1]。浮式光伏可覆盖水面，减少因蒸发而造成的水分损失[2]。Dai等人[3]分析了浮体的结构强度，数值计算结果与实验结果的比较表明，有限元法可以很好地模拟浮子的位移。Li等人[4]利用三维势理论研究了浮体的水动力性能和波浪荷载，通过有限元分析浮体的应力分布表明高密度聚乙烯（HDPE）能满足结构强度要求。Kim等人[5]介绍了一种由纤维增强聚合物（FRP）制成的浮式光伏浮体，并根据相关设计规范研究了浮式光伏阵列的系泊张力。

本文研究了浮式光伏在波浪、风和海流条件下的动态响应。以一个典型的浮式光伏阵列为研究对象，利用位势理论和系泊缆动力学模型建立了数值模型，研究浮式光伏在波浪载荷、风载荷和水流载荷作用下的系泊张力和位移，并对浮式光伏阵列上的关键载荷进行了分析。

2. 数值模型

1）模型介绍

浮式光伏系统的主要部件包括光伏板、浮体和系泊系统。图1给出了浮动模块的典型布置，包括用于通行的走道浮体和用于在水中支撑光伏板的光伏板浮体。浮体由HDPE制成，在水体中能保证足够的结构强度和耐用性。浮式光伏系统的吃水深度一般设计为30-60mm，这是由于浮体提供的浮力较大，并且光伏板的重量较轻。

图2所示为典型2.14MW浮式光伏阵列系泊系统的布置方式。该阵列包括84排56列浮体、4704块光伏板和124条系泊缆。由不锈钢钢丝绳制造的系泊缆设计为“V”型，其中两条缆绳连接一个共用锚点。考虑到25年使用年限内水体平均10m的水深及其水位变化，系泊缆长度设计为20m。

2）环境载荷

水体中的浮式光伏承受波浪载荷、水流载荷和风荷载。由于内陆水体相对海洋封闭，因此波浪是浮式光伏的次要环境载荷。浮式光伏阵列的几何结构复杂，网格划分困难，为了满足网格划分的要求，本文对数值模型进行了简化。原始和简化模态的水平面面积保持不变。图3为浮式光伏阵列的水动力模型。

风荷载和水流荷载的计算公式如下：

（1）

其中F是风/水流载荷， Cd和ρ分别是阻力系数和流体密度，A是投影面积，v是风/水流的速度。

各工况定义如Table.1所示。工况1～ 工况3中研究了波浪载荷（计算中采用规则波）、风载荷和水流载荷对浮式光伏阵列动力响应和系泊张力的影响。环境荷载的方向定义为Y方向，因为该方向上的荷载最危险。

3. 结果及分析

根据第2节所述的数值模型，分析浮式光伏阵列的运动位移和系泊张力。由于悬链线理论不适用于张紧系泊缆的情况，因此系泊缆由动力学模型模拟。Fig.4（a）表示了在波浪（工况1）作用下所有系泊缆的最大动态系泊张力。系泊张力随波高的增加略有增加，然而阵列的最大位移却显著增加，如Fig.4（b）所示。工况1中的波高较小，浮式光伏阵列的运动小于系泊缆张紧引起的最小位移。因此在工况1中，系泊缆保持松弛，系泊张力在运动过程中略有变化。

如Fig.5（a）所示，在工况2条件下，流速从0.4m/s增加到1.5m/s。如Fig.5（b）所示，除流速为0.4m/s的情况外，浮式光伏阵列的Y位移为恒定的2.8m。由于浮式光伏阵列吃水较浅，与风荷载相比，水流荷载较小。当流速为0.4m/s时，系泊缆重力产生的张力抵消了当前荷载，系泊缆并未完全张紧，在不改变位移的情况下，当前荷载的增长会导致系泊张力的增加。Fig.5（b）还表明，当阵列的运动小于2.8m时，系泊缆松弛，这就是工况1不会造成较大系泊张力的原因。

Fig.6给出了浮式光伏在风载荷（工况3）条件下的响应。与工况1和工况2的结果相比，不难发现风荷载产生的系泊张力远大于波浪和海流荷载产生的系泊张力。这意味着风是浮式光伏阵列系泊布置设计的最关键环境参数。由于光伏板倾斜安装，每个光伏板都有一个投影风面积，最后叠加后的总面积很大。与水流载荷作用下的响应结果类似，位移保持不变，稳定在2.9m。

4 结论

本文研究了浮式光伏阵列在不同环境条件下的动态响应，得出如下结论：

（1）风荷载是浮式光伏阵列系泊张力和位移的主要荷载。当运动恒定时，系泊张力随风速的增加而增加

（2）在波浪作用下，当波高变大时，浮式光伏的运動振幅增大;但由于系泊缆未张紧，波高变大时，系泊张力较小且变化也较小。

参考文献：

[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.

[2] Dai， J.， Zhang， C.， Lim， H. V.， Ang， K. K.， Qian， X.， Wong， J. L. H.， Tan， S. T.， & Wang， C. L. （2020）. Design and construction of floating modular photovoltaic system for water reservoirs. Energy， 191， 116549.

[3] Kim， S. H.， Yoon， S. J.， & Choi， W. （2017）. Design and construction of 1MW class floating PV generation structural system using FRP members. Energies， 10（8）.

[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.

[5] Sahu， A.， Yadav， N.， & Sudhakar， K. （2016）. Floating photovoltaic power plant： A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. https：//doi.org/10.1016/j.rser.2016.08.051