水面光伏浮體結構安全性評估方法研究

田縱橫 劉海波 喻 飛 劉 爽 甘 進*

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (長江勘測規劃設計研究院2) 武漢 430010)

0 引 言

水面浮式光伏電站，將太陽能發電技術與水庫、湖泊等水面結合起來，建成水面上的光伏電站，與陸地光伏電站相比，具有節約用地、發電效率高和充分利用水面資源實現“漁光互補”等多方面優勢，但是由于其工作環境的特殊性，對浮體結構的承載能力提出了更高的要求.

風浪是湖泊中重要的水動力因素，同時也是水面光伏浮體結構安全性評估需要考慮的主要環境載荷，由于內陸湖泊及小型水庫的風浪環境遠不如海洋環境惡劣，利用現有的海浪譜分析方法進行水面光伏浮體波浪載荷短、長期預報，顯然存在不足，尋找到適用于水面光伏浮體的湖泊及小型水庫風浪載荷至關重要.目前，國內外對湖泊的風浪形成和發展規律早已展開研究,計算風浪要素時大多數采用半理論、半經驗法[1]，主要有美國的SMB法、太湖(淺水湖泊)風浪計算公式、小風區風浪公式、福建莆田實驗站法等.

水面光伏電站是近年來才迅猛發展的新能源項目，日本的水上漂浮式光伏發電技術保持著世界領先地位，韓國和印度也在積極研發和推廣該技術[2].國內相關研究還處于起步階段，潘霄等[3]針對單個光伏浮式基礎結構進行了靜態結構強度分析，何嘯[4]提出了一種海洋漂浮式光伏發電裝置，研究了海浪影響下的浮體運動特性及光伏發電性能.由于水面光伏浮體陣列結構龐大，作業環境及載荷復雜，尚未有水面光伏浮體陣列結構安全性評估方法的研究，也無相關行業規范，因此，需要借鑒文獻[5-7]相關海上浮式平臺研究方法和成果展開研究.

光伏浮體結構安全性評估主要包括三個方面：①基于三維勢流理論的頻域內運動響應及波浪載荷的分析；②錨固狀態下鋼絲繩系泊力計算和可靠性分析；③風浪聯合作用工況下的浮體結構強度計算和優化.基于此，段艷麗等[8]針對系泊狀態下的半潛式平臺波浪載荷展開研究，通過數值分析軟件ANSYS得到了平臺的波浪力和波浪彎矩.薄景富[9]介紹了設計波法在半潛式平臺整體響應和結構強度計算中的應用.肖越等[10]利用數值方法研究了錨泊浮體在風、浪、流聯合作用下的運動響應和錨鏈線張力變化規律.曹劍鋒等[11]采用ANSYS/AQWA軟件對極大型浮體水動力響應、波浪載荷及總體強度進行了計算分析.因此，本文擬結合相關風浪載荷規范和船舶與海洋工程領域結構強度直接計算方法，對水面光伏浮體的運動響應及結構安全展開分析.

1 分析模型及載荷選取

1.1 數值模型

按照某光伏電站項目的水面光伏浮體建立數值分析模型，浮體結構主要分為主浮體、連接浮體和光伏組件三部分，見圖1.主浮體和連接浮體均采用高聚乙烯材料，浮體間的連接方式采用螺栓鉸接.

圖1 水面光伏浮體結構圖

1.2 風載荷

光伏結構基本風壓的計算應參照文獻[5]并結合光伏浮體設計壽命進行選取.以安徽省六安市附近某小型水庫水面光伏電站設計為例，水面光伏浮體設計壽命為25年，根據規范要求，需采用10年一遇和25年一遇基本風壓進行風載強度校核，全國各城市重現期基本風壓計算見式(1)，經基本風壓公式(2)折算，需校核風速分別為18和21 m/s.

(1)

(2)

式中：x100為100年一遇基本風壓，取0.4 kN/m2;x10為10年一遇基本風壓, 取0.2 kN/m2;R為重現期；w0為基本風壓；ρ為空氣密度；v0為需計算校核風速.

1.3 波浪載荷

水面光伏浮體工作環境為內陸湖泊或小型水庫的水灣或近岸水域，風是產生波浪運動的最主要原因.由于廣泛應用于海洋結構領域的設計波法，未考慮到風載荷對湖面波浪的直接影響，且計算所需要的湖泊或水庫的實測風浪數據難以獲得，故單一使用設計波法進行波浪要素的確定并不合理，因此，本文采用內陸湖泊或水庫風浪計算公式與設計波法相結合的方式，對浮體結構在不同風浪條件下的危險波浪工況進行計算分析.

本文計算的水面光伏電站位于丘陵環繞的有限風區水域，有效風區長度為1 000 m.考慮到波浪的波長與風區長度和水域大小密切相關，有限的風區長度和水域不利于大波長的產生，故參考文獻[5]中莆田-鶴地試驗站公式，對校核風速下內陸湖泊或水庫的平均波高和波長進行相關計算，其平均波高和波長計算公式分別為

(3)

Lm=0.038 6vD0.5g-0.5

(4)

式中:Hm為平均波高；d為平均水深；v為校核風速；D為風區長度；Lm為平均波長.綜上可得，10年一遇和25年一遇基本風速下的平均波高分別為0.27和0.32 m，平均波長分別為7和8.2 m.

2 水動力計算分析

2.1 頻域運動響應及危險波工況

根據內陸湖泊和小型水庫波浪特點，水面光伏浮體的破壞形式多為小范圍內風浪載荷作用下的局部區域破壞，當浮體陣列組合尺寸接近或等于波長時，將可能發生最嚴重中拱或中垂現象.結合10年一遇和25年一遇風速下的波長，選取4×4光伏浮體組合進行研究，4×4模型長8 m、寬7.5 m，水動力模型見圖2.

圖2 4×4組合水動力模型圖

采用ANSYS/AQWA數值分析軟件對4×4光伏浮體組合模型進行浮體運動和波浪彎矩響應分析時，應首先開展各種響應傳遞函數的預報，以掌握浮體結構在波浪中響應的基本特征.

在光伏浮體運動響應數值計算分析時，按照DNV規范中設計波法要求，設置七個波浪入射方向：0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°.每個浪向和單位波高下，波浪頻率取 23個，包括了內陸湖泊和水庫的主要能量成分和浮體陣列的主要響應區域：0.1～8 rad/s.4×4光伏浮體組合模型在15 m水深條件下，不同波浪入射角的六自由度運動響應傳遞函數，見圖3.

圖3 六自由度運動響應傳遞函數

考慮到垂向波浪彎矩、水平波浪彎矩及風載荷，是影響光伏浮體陣列組合結構安全性的主要因素，風浪聯合作用時可能會產生最危險中垂工況，因此，針對4×4光伏浮體組合模型的垂向波浪彎矩和水平波浪彎矩進行詳細分析，以確定最危險工況時的波浪頻率，見圖4.

圖4 波浪彎矩RAO

由圖4可知，波浪入射角度為0°和90°時，沿X方向和Y方向的垂向波浪彎矩最大，波浪頻率均為0.63 Hz，波浪入射角度為60°時，水平波浪彎矩達到最大，波浪頻率為1.12 Hz.

結合文獻[5]要求的風載荷、內陸湖泊或水庫風浪計算公式確定的平均波高和波長，以及頻域內計算分析所得到的波浪頻率和相位，可以得到用以錨泊分析及結構強度計算的六種危險波工況，見表1.

表1 4×4光伏浮體組合模型危險波工況

2.2 時域錨泊強度分析

針對100 kW光伏浮體陣列實際尺寸建立錨泊數值分析模型，模型長28 m、寬24.12 m，由14×14個光伏浮體單元組成.應用AQWA-DRIFT開展風浪聯合作用下的時域計算，計算工況為表1所確定的六種危險波工況，錨固系統為18根鋼絲繩對稱布置的形式，具體布置方案及風浪入射角見圖5.

圖5 100 kW光伏陣列錨泊布置圖

在水面光伏浮體錨泊方案設計的初級階段，運用時域耦合的數值分析方法對錨泊系統進行動力分析，研究在4×4光伏浮體陣列發生局部破壞的六種工況時，設計的100kW光伏浮體陣列錨泊系統是否穩定，鋼絲繩的應力是否在許用應力范圍之內以及能否滿足特定的系泊要求.下面給出時域耦合分析得到的各工況下鋼絲繩最大平均張力的統計數值，見表2.

表2 不同工況下鋼絲繩張力計算結果

由表2可知，在工況4時鋼絲繩張力達到最大值16.8 kN.圖6為該工況下鋼絲繩張力的時域響應曲線圖.通過光伏浮體對角拉伸試驗，測得單個耳板對接強度大致為10～15 kN，實際錨泊時采用單根錨繩連接多個耳板的連接方式，每個耳板實際承載力遠小于16.8 kN.故而，該錨固方案滿足水面光伏浮體結構強度要求.

圖6 工況4鋼絲繩張力時域響應曲線圖

3 浮體陣列結構強度校核

對于大尺度水面光伏浮體陣列來說，由于內陸湖泊或小型水庫波浪載荷的實際作用區域有限，風浪載荷對其破壞位置一般為小范圍內的局部區域，見圖7.為提高設計階段光伏浮體陣列結構強度的計算效率，本文針對100 kW光伏浮體陣列最危險的三個典型區域進行強度校核, 波浪載荷是將水動力求解的一階波浪速度勢代入伯努利方程求得壓力分布后,通過AQWA-WAVE模塊以壓力載荷的形式加載到有限元模型濕表面上，風載荷按照文獻[5]的要求施加在光伏板壁面上.

圖7 典型危險區域圖

結構分析時使用的典型區域模型為4×4光伏浮體結構模型，見圖8.根據典型區域的位置特點，分別對三種區域采用不同邊界條件：①號區域限制A點耳板和B、C端的x，y，z方向位移；②號區域限制D、E、F端的x，y，z位移；③號區域四周剛性固定.采用ANSYS軟件進行結構強度計算時，利用beam connection近似替代浮體與浮體之間的螺栓連接，有利于節省大量模型處理和計算分析的時間.

圖8 4×4光伏浮體結構計算模型圖

針對4×4光伏浮體組合結構，分別對三個典型區域展開六個危險波工況下的結構強度計算分析，風速方向與波浪入射方向保持一致.不同工況下的三個典型區域應力與位移計算結果見表3～5.

表3 ①號區域不同工況下浮體強度計算結果

表4 ②號區域不同工況下浮體強度計算結果

表5 ③號區域不同工況下浮體強度計算結果

對比各工況下不同區域的應力大小，可以確定①號區域為三種區域中最危險區域，這也是其處于100 kW光伏浮體陣列的邊角位置決定的.由于0°方向風載荷在光伏浮體上的受風投影面積較小，故波浪載荷與風浪聯合載荷作用下的應力、位移分布相差不大，以波浪載荷作用為主.工況3和工況4的風浪入射角為60°，主要考慮水平波浪彎矩與風載荷聯合作用對浮體陣列結構的影響，從表中計算結果分析，①號區域和②號區域風載荷影響較大，③號區域由于處于陣列內部，結構較強，主要以局部動壓力產生的應力集中為主.工況5和工況6 是垂向波浪彎矩和風載荷聯合作用產生的最危險中垂工況，由于90°方向風載荷與各排光伏板受風投影面積達到最大，考慮風載荷作用后，三個區域位置處的光伏浮體陣列結構應力和變形顯著增加，其中，①號區域工況6的應力和位移達到所有工況的最大值，分別為16.03 MPa和0.085 m，見圖9.

圖9 ①號區域工況6應力和位移圖

在結構強度計算分析的基礎上，本文探索了水面光伏浮體陣列在不同工況下的應力集中位置和結構破壞形式規律，發現處于迎浪邊角位置的光伏浮體陣列區域結構最弱，陣列內發生應力集中的位置主要為耳板與主浮體連接處、連接浮體與主浮體搭接處和主浮體底板角隅處.圖10為①號和②號區域工況6載荷下連接浮體與主浮體搭接處局部應力圖.

圖10 ①號和②號區域工況6應力和位移圖

考慮到①號區域在工況6的風浪載荷下，光伏浮體陣列應力和位移變形較大，不利于光伏浮體正常作業，故針對邊角區域光伏浮體實施輔助加強措施，使用長角鋼和螺栓將浮體陣列左側的耳板串聯，以及將下側的主浮體支撐平臺串聯，在減小浮體陣列的垂向位移變形的同時，將系泊力通過鋼架結構均勻的傳遞到多個浮體結構上，有利于顯著提高浮體陣列結構的安全性.表6為①號區域改良前后應力和位移的對比情況，圖11為改良后浮體陣列的應力和位移圖.

表6 ①號區域改良設計效果對比

圖11 ①號區域改良方案應力和位移圖

4 浮體陣列結構安全性評估流程

本文針對大尺度水面光伏浮體陣列結構的特殊性，結合內陸湖泊和水庫風浪經驗計算公式和設計波法，提出一種在缺乏內陸湖泊或水庫風浪資料的情況下，適用于設計階段的水面光伏浮體結構錨固強度及結構安全性評估流程，其路線圖見圖12.

圖12 水面光伏浮體結構安全性評估方法流程圖

5 結 論

1) 100 kW水面光伏浮體陣列錨固方案及結構強度滿足設計要求，建議進一步加強耳板結構，提高耳板承載能力.

2) 由于內陸湖泊和水庫波浪載荷的特殊性，大尺度水面光伏浮體陣列破壞位置多為迎浪處的局部邊角區域，內部浮體區域較為安全.

3) 水面光伏浮體陣列內應力集中位置多發生在耳板與主浮體連接處、連接浮體與主浮體搭接處和主浮體底板角隅處.