段斐

摘要——本文基于一個(gè)典型的2.14MW的浮式光伏陣列，基于三維勢(shì)流理論建立了數(shù)值模型，對(duì)其運(yùn)動(dòng)和系泊纜張力特性進(jìn)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(yùn)動(dòng)和系泊纜張力特征。通過研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)載荷對(duì)浮式光伏陣列的運(yùn)動(dòng)和系泊張力影響最大，波浪和水流對(duì)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(dòng)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(hù)、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(kù)、湖泊和廢棄水體上應(yīng)用浮式光伏電站是一個(gè)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(qiáng)度，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shì)理論研究了浮體的水動(dòng)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(qiáng)度要求。Kim等人[5]介紹了一種由纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）制成的浮式光伏浮體，并根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。以一個(gè)典型的浮式光伏陣列為研究對(duì)象，利用位勢(shì)理論和系泊纜動(dòng)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(duì)浮式光伏陣列上的關(guān)鍵載荷進(jìn)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(dòng)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(qiáng)度和耐用性。浮式光伏系統(tǒng)的吃水深度一般設(shè)計(jì)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(jì)為“V”型，其中兩條纜繩連接一個(gè)共用錨點(diǎn)?？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(zhǎng)度設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。原始和簡(jiǎn)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(dòng)力模型。

風(fēng)荷載和水流荷載的計(jì)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(jì)算中采用規(guī)則波）、風(fēng)載荷和水流載荷對(duì)浮式光伏陣列動(dòng)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?yàn)樵摲较蛏系暮奢d最危險(xiǎn)。

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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中略有變化。

如Fig.5（a）所示，在工況2條件下，流速?gòu)?.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(dāng)流速為0.4m/s時(shí)，系泊纜重力產(chǎn)生的張力抵消了當(dāng)前荷載，系泊纜并未完全張緊，在不改變位移的情況下，當(dāng)前荷載的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系泊張力的增加。Fig.5（b）還表明，當(dāng)陣列的運(yùn)動(dòng)小于2.8m時(shí)，系泊纜松弛，這就是工況1不會(huì)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(yuǎn)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(jì)的最關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。由于光伏板傾斜安裝，每個(gè)光伏板都有一個(gè)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(dòng)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(dāng)運(yùn)動(dòng)恒定時(shí)，系泊張力隨風(fēng)速的增加而增加

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

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