漂浮式水上光伏电站对湖库风生流作用机理的研究

吴慕丹，袁 万

(中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京 211102)

0 引言

由于陆上光伏电站的建设需占用大量的土地资源，但土地资源日益紧缺、土地成本日益增加，于是利用水域面积来建设水上光伏电站成为一种趋势。我国幅员辽阔，天然湖泊、人工湖泊和水库等水体资源众多，目前国内的漂浮式水上光伏电站主要建设在塌陷区或水库上；而国外已有在河流上建设的水上光伏发电项目，有的国家甚至尝试在出海口水域进行水上光伏电站的建设，比如韩国。在当前的发展趋势下，合理利用水域面积开展水上光伏电站的建设具有一定的发展前景，值得深入研究[1-2]。

由于在水域内风场的作用下，湖泊和水库(下文简称为“湖库”)往往会产生风生流，显著改变湖库垂直方向和表面的水流分布规律。许旭峰等[3]的研究表明：太湖风生流的形成主要是由风场、湖泊边界及湖底地形决定的，研究得到了太湖不同区域的水动力特征和流动规律，揭示了太湖不同区域流场产生差异的原因。韩龙喜等[4]以我国西北地区的咸水湖艾比湖为例，建立了三维水动力计算模型，选取典型风场，分析了风力作用下高盐度湖泊的风生流形成特性及风生流水动力参数的三维空间分布规律。乌景秀等[5]基于水动力计算模型，建立了浅水湖泊的二维风生流数学模型，通过控制单一变量，综合分析了风向、地形、补水流量等主要影响浅水湖泊风生流的因素。张华杰[6]分析了湖底形态、湖岸边界形状、湖泊表面风应力、湖泊初始水位、湖心岛等因素对湖泊稳定流场的建立时间、水深分布、流速分布等方面的影响。乔会婷[7]通过二维数值模拟，分析了植被对太湖风生流水动力特性的作用机制。通过分析上述文献可以发现，针对湖库的风生流影响因素，大部分文献都是从风向、地形等因素出发进行分析，只有文献[7]的分析涉及到了湖泊表面被植被覆盖会影响其风生流机理；然而目前尚无针对漂浮式水上光伏电站建设后对湖库风生流影响的研究成果。

综上，针对漂浮式水上光伏电站对湖库的风生流作用机理，本文以我国东北地区的某中型水库为例进行了研究。该水库上建设了一座漂浮式水上光伏电站，通过三维水动力数值模型揭示漂浮式水上光伏电站建设后，在风力作用下水库的水流运动规律，解析漂浮式水上光伏电站对湖库风生流的作用机理及效果。

1 研究区域概况

本研究以黑龙江省哈尔滨市巴彦县红光乡的丰农水库作为研究对象，该水库为中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级建筑物。丰农水库设计的防洪标准为20年一遇洪水，洪水位为146.32 m，防洪库容为2.515×107m3；以100年一遇洪水校核，校核的洪水位为147.22 m；死水位为 144.30 m，相应的死库容为3.93×106m3；汛限水位采用正常蓄水位，为145.00 m；兴利库容为4.87×106m3；多年平均净调节水量为 4.113×106m3。

漂浮式水上光伏电站占用的水库水面面积约为2400亩(1亩≈666.67 m2)，电站的东西最大跨度约为1371 m，南北最大跨度约为1166 m。该水上光伏电站的总规划装机容量为50 MWp，包括197400块255 Wp的多晶硅光伏组件，20年的理论年均发电量约为 5921.4万kWh。水库上漂浮式水上光伏电站的布置情况如图1所示。

图1 水库上漂浮式水上光伏电站的布置情况Fig. 1 Layout of floating water PV power station on the reservoir

2 三维水动力数值模型

2.1 模型求解方式

本文的三维水动力数值模型是基于三维、垂向静压力、紊动平均、自由表面的动量方程建立的。模型建立时使用的输运方程考虑了湍流动能和湍流长度。在保证遵循质量守恒定律的前提下，在浅水区域，该模型采用干湿网格法进行计算[7]。

本文建立的三维水动力数值模型，在水平输运方向上采用Blumberg-Mellor的中心差分格式和正定的迎风差分格式。模型求解时，空间上采用隐式格式，水平扩散方程在时间上采用显示格式。

2.2 三维水动力数值模型坐标系的建立

为更好地反映浅水区域地形对流场的影响，本文模型的水平方向采用正交曲线坐标系和笛卡尔坐标系，垂直方向采用σ坐标系。三维水动力数值模型的坐标系如图2所示。

图2 三维水动力数值模型的坐标系Fig. 2 Coordinate system of 3D hydrodynamic numerical model

2.3 控制方程

基于Boussinesq假设和准静力假定，三维水动力数值模型的控制方程如下：

式中：t为时间；x、y分别为水平方向2个维度的横、纵坐标；z为垂向坐标；m为水体质量；w为垂向流速；u、v分别为正交曲线坐标系下流速在x、y方向的分量；mx、my分别为Jacobian矩阵正交曲线坐标系转换系数；H为全水深，即未扰动时的z坐标原点z*=0时的水深h和水面位移ξ之和；f为科氏力参数；Av为垂向紊动扩散系数；Qu、Qv分别为动量方程的源项和汇项；g为重力加速度；p为压强；ρ为水体密度；ρ0为参考密度。

为了有效模拟水体分层对垂向混合强度的影响，本文采用2.5阶的Mellor-Yamada紊流模型来求解垂向的紊动扩散项。各个变量在水平和垂直方向均采用交错网格进行离散，并结合有限差分法和有限体积法来进行三维水动力数值模型的控制方程的求解。

2.4 模拟方法

本文中三维水动力数值模型的计算均采用非恒定流动态模拟，模型的初始条件为拟定的设计水位，通过设置风向边界条件，模拟漂浮式水上光伏电站在不同设置方案下水库的水动力情况。模型计算时的时间步长取2 s。

2.5 水库区域模型的构建

根据2009年丰农水库的实测地形资料，建立了该水库的三维水动力数值模型。建模地形范围为整个丰农水库，建模区域的横向最大长度约为2 km，纵向最大长度约为2.5 km，垂向最大水深为2 m。水库水域外侧的陆域边界为已有堤防工程和护岸堤轴线。根据丰农水库的实测地形数据生成计算网格，在水平方向单个计算网格的均值为20 m，网格总数为16917个；在垂直方向将水库分为8层进行计算。模拟过程中，平均风速取3.5 m/s，风向采用西南偏南风。建模区域的网格划分图如图3所示。图中：P1、P2分别为水库南端和北端选取的2个点。

图3 建模区域的网格划分图Fig. 3 Meshing diagram of modeling area

2.6 模拟时典型工况的设置

模拟时的典型工况共包括3种：第1种为未在水库上建设漂浮式水上光伏电站；第2种为在水库的上风区(即水库的南侧)建设漂浮式水上光伏电站；第3种为在水库的中间建设漂浮式水上光伏电站。3种典型工况下漂浮式水上光伏电站具体的布置方式如图4所示。

图4 3种典型工况下漂浮式水上光伏电站的布置方式Fig. 4 Layout of floating water PV power station under three typical working conditions

3 模拟结果及分析

3.1 未建设漂浮式水上光伏电站时水库的风生流特征

对未建设漂浮式水上光伏电站时水库的水位，以及水库平面和垂向剖面的风生流场情况进行了模拟，模拟结果如图5所示。图中：箭头长度代表流速，箭头方向代表流向。

图5 未建设漂浮式水上光伏电站时水库的水位，以及水库平面和垂向剖面的风生流场情况Fig. 5 Water level of reservoir and wind-driven flow field in the horizontal and vertical sections of reservoir when floating water PV power station is not built

从图5中可以看出，受水库风场的作用，整个水库区域存在轻度壅水，其下风区(即水库的北侧)的水位高，上风区的水位低，水位差约为0.006 m。水库的风生流较为明显，从平面流场来看，考虑风的流程，整个水库的流场呈现两边流速大、中间流速小的情况；从垂向剖面来看，由于水库表层风向为西南偏南风，因此整个水库区域在垂向剖面上呈现一个水流从上风区往下风区流动的顺时针环流。

3.2 水库的上风区建设漂浮式水上光伏电站时水库的风生流特征

对水库的上风区建设漂浮式水上光伏电站时水库的水位，以及水库平面和垂向剖面的风生流场情况进行了模拟，模拟结果如图6所示。图中：箭头长度代表流速，箭头方向代表流向。

从图6中可以看出，受水库风场的作用，下风区的水位偏高，相较于未建设漂浮式水上光伏电站时，水库的壅水现象主要出现在水库的下风区；相较于未建设漂浮式水上光伏电站时，下风区与上风区的水位差偏小，约为0.002 m。从水库的平面流场来看，由于水库上风区建设有漂浮式水上光伏电站，再加上表层风向为西南偏南风，因此水流的流向呈顺时针方向。从垂向剖面来看，由于水库上风区建设有漂浮式水上光伏电站，因此上风区内水流的流速较小，下风区内水流的流速较大；环流主要出现在未建设漂浮式水上光伏电站的水库下风区。

3.3 在水库中间建设漂浮式水上光伏电站时水库的风生流特征

对水库中间建设漂浮式水上光伏电站时水库的水位，以及水库平面和垂向剖面的风生流场情况进行了模拟，模拟结果如图7所示。图中：箭头长度代表流速，箭头方向代表流向。

图7 水库中间建设漂浮式水上光伏电站时水库的水位，以及水库平面和垂向剖面的风生流场情况Fig. 7 Water level of reservoir and wind-driven flow field in the horizontal and vertical sections of reservoir when floating water PV power station is built in the middle of reservoir

从图7中可以看出，水库中间区域的水位变化不大，但上风区和下风区的水位变化较为明显，下风区与上风区的最大水位差约为0.003 m。从水库的平面流场来看，由于水库中部不受风场作用，水库西侧的水流呈一个顺时针环流，而东侧的水流呈一个逆时针环流。从垂向剖面来看，水库的上风区和下风区均出现了一个较弱的顺时针环流。由于水库中部建设有漂浮式水上光伏电站，该电站下方的下层水流受水库上风区水流和下风区水流的共同作用，呈现明显的向上风区流动的趋势；而电站下方的上层水流则受到了流向下风区的水流的推力和下层水流流向上风区的剪切力，这2个方向的水流流向并存。

4 结论

本文建立了考虑漂浮式水上光伏电站不同布置方案时水库的三维水动力数值模型，模拟分析了未建设漂浮式水上光伏电站、在水库上风区建设漂浮式水上光伏电站及在水库中间建设漂浮式水上光伏电站这3种情况下水库的水位和风生流场情况，解析了漂浮式水上光伏电站对湖库风生流的作用机理，得出以下结论：

1)在水库未建设漂浮式水上光伏电站时，由于风场作用，整个水库存在轻度壅水的情况，下风区的水位偏高；由于水库表层风向为西南偏南风，因此整个库区的水流在垂向剖面上呈现一个从上风区流向下风区的顺时针环流。

2)当水库上风区建设有漂浮式水上光伏电站时，水库的壅水现象主要出现在水库的下风区，相较于未建设漂浮式水上光伏电站时，下风区与上风区的水位差偏小；从水库的平面流场来看，由于上风区建设有漂浮式水上光伏电站，因此水流的流向呈顺时针方向；从垂向剖面来看，上风区的水流流速较小，下风区的水流流速较大；环流主要出现在水库的下风区。

3)当水库中间建设有漂浮式水上光伏电站时，水库中间区域的水位变化不大；但上风区和下风区的水位变化较为明显，不过二者的水位差相较于未建设漂浮式水上光伏电站时的偏小。从水库的平面流场来看，由于水库中间区域不受风场的作用，因此水库西侧的水流呈一个顺时针环流，东侧的水流呈一个逆时针环流。从垂向剖面来看，电站下方的下层流场受水库上风区和下风区水流的共同作用，呈现一个明显的水流向上风区流动的趋势，电站下方的上层水流则受到流向下风区的水流的推力和下层水流流向上风区的剪切力，这2个水流方向并存。

该研究成果揭示了漂浮式水上光伏电站对湖库风生流的作用机理，为漂浮式水上光伏电站项目的设计和湖库生态管理提供了科学依据。