浮式光伏系泊系統動力響應特性研究

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、風載荷和水流載荷作用下浮式系統的運動和系泊纜張力特征。通過研究發現，風載荷對浮式光伏陣列的運動和系泊張力影響最大，波浪和水流對響應的影響非常有限。

關鍵詞-浮式光伏;系泊系統;環境載荷;動力響應

1 背景介紹

陸地光伏電站的發展需要大面積的建設用地，很容易在植被保護、農業規劃和城市發展方面發生用地沖突。在水庫、湖泊和廢棄水體上應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，減少因蒸發而造成的水分損失[2]。Dai等人[3]分析了浮體的結構強度，數值計算結果與實驗結果的比較表明，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力分布表明高密度聚乙烯（HDPE）能滿足結構強度要求。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，并根據相關設計規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、風和海流條件下的動態響應。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模型建立了數值模型，研究浮式光伏在波浪載荷、風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鍵載荷進行了分析。

2. 數值模型

1）模型介紹

浮式光伏系統的主要部件包括光伏板、浮體和系泊系統。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構強度和耐用性。浮式光伏系統的吃水深度一般設計為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計為“V”型，其中兩條纜繩連接一個共用錨點。考慮到25年使用年限內水體平均10m的水深及其水位變化，系泊纜長度設計為20m。

2）環境載荷

水體中的浮式光伏承受波浪載荷、水流載荷和風荷載。由于內陸水體相對海洋封閉，因此波浪是浮式光伏的次要環境載荷。浮式光伏陣列的幾何結構復雜，網格劃分困難，為了滿足網格劃分的要求，本文對數值模型進行了簡化。原始和簡化模態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。

風荷載和水流荷載的計算公式如下：

（1）

其中F是風/水流載荷， Cd和ρ分別是阻力系數和流體密度，A是投影面積，v是風/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（計算中采用規則波）、風載荷和水流載荷對浮式光伏陣列動力響應和系泊張力的影響。環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. 結果及分析

根據第2節所述的數值模型，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，與風荷載相比，水流荷載較小。當流速為0.4m/s時，系泊纜重力產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載荷（工況3）條件下的響應。與工況1和工況2的結果相比，不難發現風荷載產生的系泊張力遠大于波浪和海流荷載產生的系泊張力。這意味著風是浮式光伏陣列系泊布置設計的最關鍵環境參數。由于光伏板傾斜安裝，每個光伏板都有一個投影風面積，最后疊加后的總面積很大。與水流載荷作用下的響應結果類似，位移保持不變，穩定在2.9m。

4 結論

本文研究了浮式光伏陣列在不同環境條件下的動態響應，得出如下結論：

（1）風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.

[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