分布式海上漂浮光伏波浪水动力特性.pdf

第1 8卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月中 国 科 技 论 文C H I N AS C I E N C E P A P E RV o l.1 8N o.1 0O c t.2 0 2 3分布式海上漂浮光伏波浪水动力特性潘 昀1,吴笑然1,薛大文1,赵西增2,李明昌2,干满水3(1.浙江海洋大学船舶与海运学院,浙江舟山3 1 6 0 2 2;2.浙江海洋大学海洋工程装备学院,浙江舟山3 1 6 0 2 2;3.舟山市生态环境局定海分局,浙江舟山3 1 6 0 0 0)摘 要:为了加快发展非化石能源建设,坚持集中式和分布式并举,发展分布式海上漂浮光伏成为重中之重。基于D u a l S P H y s i c s开源程序建立了中尺度无反射数值波浪水槽,并结合系泊浮箱运动状态和系泊线张力实验结果,验证了波浪水槽模型的可靠性。以分布式海上漂浮光伏为研究对象建立原尺寸模型,波浪传播方向上1 0个光伏板为1排,分析了单排光伏系统与多排光伏系统在5m水深和多种波浪要素的波浪作用下光伏系统结构的整体受力和运动响应,以及4根系泊线的张力变化规律。结果表明,单排光伏系统4根系泊线的张力周期性同步变化,与波高存在非常好的线性关系,在保证单一浮体极限受力条件下推出的极限波高为1.6 3m。对多排光伏系统运动规律和系泊线张力进行综合分析,得出多排光伏系统阵列的长宽比应小于3.0。关键词:数值波浪水槽;分布式海上漂浮光伏;D a u l S P H y s i c s;系泊线;水动力中图分类号:P 7 5 2 文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 2 7 8 3(2 0 2 3)1 0 1 1 4 4 0 9开放科学(资源服务)标识码(O S I D):H y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f d i s t r i b u t e do f f s h o r e f l o a t i n gp h o t o v o l t a i c i nw a v e sP A NY u n1,WUX i a o r a n1,X U ED a w e n1,Z HA OX i z e n g2,L IM i n g c h a n g2,G A NM a n s h u i3(1.S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c t u r ea n dM a r i t i m e,Z h e j i a n gO c e a nU n i v e r s i t y,Z h o u s h a n,Z h e j i a n g3 1 6 0 2 2,C h i n a;2.S c h o o l o fM a r i n eE n g i n e e r i n gE q u i p m e n t,Z h e j i a n gO c e a nU n i v e r s i t y,Z h o u s h a n,Z h e j i a n g3 1 6 0 2 2,C h i n a;3.D i n g h a i E c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tM o n i t o r i n gS t a t i o no fZ h o u s h a nC i t y,Z h o u s h a n,Z h e j i a n g3 1 6 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o a c c e l e r a t e t h e d e v e l o p m e n t o f n o n-f o s s i l e n e r g y c o n s t r u c t i o n,a d h e r e t o c e n t r a l i z e d a n dd i s t r i b u t e d s i m u l t a n e-o u s l y,t h ed e v e l o p m e n t o f d i s t r i b u t e do f f s h o r e f l o a t i n gp h o t o v o l t a i ch a sb e c o m e a t o pp r i o r i t y.I n t h ep r e s e n tw o r k,am e s o s c a l en o n-r e f l e c t i v en u m e r i c a lw a v e t a n kw a s e s t a b l i s h e db a s e do n t h eD u a l S P H y s i c s o p e n s o u r c e c o d e s,a n d t h e r e l i a b i l i t y o fw a v e t a n km o d e lw a sv e r i f i e db y c o m b i n i n g t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h em o o r i n gp o n t o o nm o t i o n s t a t e a n d t h em o o r i n g l i n e t e n s i o n.T a k-i n g t h ed i s t r i b u t e do f f s h o r e f l o a t i n gp h o t o v o l t a i c s y s t e ma s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h eo r i g i n a l s i z em o d e lw a se s t a b l i s h e d,a n dt e np h o t o v o l t a i c p a n e l s i n t h ew a v e p r o p a g a t i o nd i r e c t i o nw e r e a r r a n g e d i n a r o w.T h e o v e r a l l f o r c e a n dm o t i o n r e s p o n s e o f t h e p h o t o-v o l t a i c s y s t e ms t r u c t u r e a n d t h e t e n s i o nv a r i a t i o no f f o u rm o o r i n g l i n e s u n d e rw a v e a c t i o no f 5mw a t e r d e p t h a n dv a r i o u sw a v e e l-e m e n t sw e r e a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o wt h e t e n s i o no f f o u rm o o r i n g l i n e so f s i n g l e-r o wp h o t o v o l t a i c s y s t e mc h a n g e sp e r i o d i c a l l ya n ds y n c h r o n o u s l y,a n d t h a t ag o o d l i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t h t h ew a v eh e i g h t i so b s e r v e d.T h e l i m i tw a v eh e i g h t i s 1.6 3mu n d e rt h e c o n d i t i o no f e n s u r i n g t h eu l t i m a t e f o r c eo f a s i n g l e f l o a t i n gb o d y.B ya n a l y z i n g t h em o t i o n l a wo fm u l t i-r o wp h o t o v o l t a i c s y s-t e ma n dm o o r i n g l i n e t e n s i o n,i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e l e n g t h-w i d t h r a t i oo fm u l t i-r o wp h o t o v o l t a i c a r r a y s h o u l db e l e s s t h a n3.0.K e y w o r d s:n u m e r i c a lw a v e t a n k;d i s t r i b u t e do f f s h o r e f l o a t i n gp h o t o v o l t a i c;D a u l S P H y s i c s;m o o r i n g l i n e;h y d r o d y n a m i c f o r c e收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 8基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 0 1 3 3 0);浙江省省属高校基本科研业务费资助项目(2 0 2 2 J 0 0 4)第一作者:潘昀(1 9 8 9),男,副教授,主要研究方向为波浪与结构物相互作用通信作者:干满水,高级工程师,主要研究方向为自然生态保护、海洋资源保护与利用、减污降碳等,g a n m a n s h u i 2 0 2 2 1 6 3.c o m 能源紧缺和污染一直都是国际上的热门话题,按照目前的资源消耗速率,化石燃料将在2 0 0年内消耗殆尽(石油4 6年,天然气5 8年,煤炭1 5 0年)1。自我国双碳目标提出以来,太阳能作为清洁能源,是我国研究和发展的主要对象,其中光伏发电是太阳能的主要利用方式。目前我国多以陆上光伏为主,由于土地资源紧缺,陆上光伏逐渐暴露出占地面积大,挤占农地、草地、林地等问题2。许多高密度城市地区和群岛地区难以找到足够的空间大规模部署光伏系统,且该问题也很难通过现有方法得到有效解决3。海上漂浮式光伏作为近年来开发太阳能的新方法而备受青睐。作为海洋大国,我国大陆海岸线长度达1.8万余k m,海岸带面积约占全国总面积的1 3%,海上光伏的发展空间巨大。随着海上光伏技术的成熟,也将快速推进我国的可持续发展。韩国、新加坡、欧盟成员国等国家的海上光伏技术研究开展较早,但目前尚无长期有效的海上光伏装置。C a z z a n i g a等4使用浮筒式浮体结构对海上光伏进行加固处理,通过详细的有限元分析和实验室试验,研究了浮式光伏系统在波浪作用下的整体响应;L u o等5利用普通最小二乘法、局部加权散点图平滑法和年度同比法对位于新加坡的全球最大浮式光伏(f l o a t i n gp h o t o v o l t a i c,F P V)实验平台系统的性能稳定性进行了详细分析;C h o i等6对海上光伏进 第1 0期潘 昀,等:分布式海上漂浮光伏波浪水动力特性行了风荷载数值模拟,推导出了各种风速下太阳能电池板上的阻力和升力的相关关系;K a y m a k等7发现大多数国内外经常使用的浮式光伏系统设计对于恶劣环境条件不够稳健。可见,海上光伏的系泊形式及浮体结构是海上光伏长期有效稳定的关键。随着光伏行业的不断发展和国内计算机技术的不断进步,我国学者也开始对海上漂浮式光伏进行了研究。H a n等8提出了一种新颖的自浮式纤维增强聚合物(f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r,F R P)复合结构用于光伏发电,研究了风、浪和流引起的自浮F R P复合结构的水动力特性;刘浩晨等9以漂浮式光伏锚泊结构为对象,提出了一种根据环境水位、荷载的变化,快速设计系泊定位的方法;郭军等1 0利用S E S-AM软件,在鄱阳湖环境条件下,针对大型漂浮方阵开展了波浪载荷数值分析研究;袁万等1 1利用有限元软件S A P2 0 0 0建立海上光伏结构三维模型,并开展结构性能动力研究。国内学者的研究主要基于势流理论进行固体结构的响应模拟计算,缺少更符合实际海洋情况的基于黏流理论进行的流固耦合模拟。传统计算流体力学(c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m-i c s,C F D)方法难以兼顾波浪作用下大、小尺寸结构物自由水面六自由度运动问题,而光滑粒子流体力学(s m o o t h e dp a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s,S P H)1 2-1 4方法能很好地解决此问题。因此,本文在国内外已有研究的基础上,选择光滑粒子流体动力学D u a l-S P H y s i c s开源程序建立原尺寸无反射数值波浪水槽,模拟多种波浪要素的波浪作用下目前国内积极推广的一种海上漂浮式光伏系统的整体受力和运动响应,以期为分布式海上漂浮光伏的结构设计和建设提供理论依据。1 数值模拟水槽的建立1.1 数值模型C F D中传统的网格方法1 5-1 6很难对漂浮结构物在气液两相交界面上作大幅度无规则运动进行求解,计算量大,同时还带来模拟精度的丢失。S P H方法通过近似原理将连续介质离散成一系列正交分布的散点粒子(或称为计算节点),通过其邻近粒子的各个物理量插值得到每个计算节点的流速、密度、位置、压力等。计算节点的流速、密度、压力可以用积分形式表达,给定函数F(X),则积分函数(以某一粒子a为中心,积分区域记为n)表达式为F(X)=nF(X)W(X-X,h)dX。(1)式中:X为粒子所在位置;h为光滑长度,m,光滑半径为2h;W(X-X,h)为光滑核函数,它在X=X 处于无穷大。流体力学中拉格朗日形式的质量守恒方程为ddt=-u。(2)式中:为粒子密度,k g/m3;u为流速,m/s;为哈密尔顿算子。在D u a l S P H y s i c s模型中,粒子质量保持不变,但密度是可变的,通过质量守恒方程(式(2)即可得到粒子密度的改变量,离散形式的S P H连续性方程形式如下:dadt=bmbva baFa b。(3)式中:a为粒子a的密度,k g/m3;mb为积分区域n中任意一粒子b的质量(b=1,2,N);va b为粒子a和b的速度差;Fa b为粒子a和b在区域n中的积分函数差值。1.2 造波与消波采用推波板的方式进行造波,具体推波板运动采用M a d s e n1 7提出的二阶造波理论,该理论生成的二阶S t o k e s波在传播过程中非常稳定,推波板振幅(s0)与波高(H)之间的关系为s0=H/m,(4)m=2 s i n h2(k d)s i n h(k d)c o s h(k d)+k d。(5)式中:k为波数;d为水深。S t o k e s波是用有限个简单成比例频率的余弦波来逼近具有单一周期的规则的有限振幅波,M a d s-e n1 7提出S t o k e s二阶波要在一阶规则波基础上添加一项,即e1(t)=H23 2d 3 c o s h(k d)s i n h3(k d)-2m s i n(2 t+2)。(6)式中:为圆频率;为初始相位。因此,二阶S t o k e s波推波板位移为e2(t)=s02s i n(t+)+e1(t)。(7)在水槽末端边界前设置阻尼层对反射波进行强制吸收,消波区动量方程为ut+uux+vuy+wuz=2ux2+2uy2+2uz2 -px+C(x)u,(8)wt+uwx+vwy+wwz=g+2ux2+2uy2+2uz2 -1px+C(x)w,(9)C(x)=cx-x0 xL-x0 2。(1 0)式中:u、v、w分别为水平速度分量、竖直速度分量、垂直方向分量;为运动黏滞系数;g为重力加速度,m/s2;p为压强,P a;C(x)为阻尼衰减系数;c为经验系数;x0为消波区左边界的x坐标值;xL为消波区右边界的x坐标值。1.3 数值波浪模型验证为验证数值波浪水槽的可靠性,选择规则波与系泊浮箱相互作用的物理实验进行验证。该实验1 85411中 国 科 技 论 文第1 8卷 在比利时根特大学海岸工程研究小组的波浪水槽中进行,该水槽也为推板式造波。基于D u a l S P H y s i c s建立原尺寸物理波浪水槽的数值模型,数值波浪水槽及系泊浮箱的详细尺寸如图1所示。图1(b)中WG 1 WG 6为测波仪的位置,图1(c)中a、b、c、d为系缚点的位置,A、B、C、D为锚定点。浮箱采用轻质聚氯乙烯(p o l y v i n y l c h l o r i d e,P V C)材料制作,密度为5 7 0k g/m3。浮箱的重心为(0,0,-1.2 6),单位为c m,浮箱质量为3.6k g。系泊系统为4条长度相同的锚链以悬链线的形式将浮箱与波浪水槽底部连接。x轴正向为波浪传播方向,拉力传感器安装在底部锚定点上,采样频率为10 0 0H z。锚链的材料为铁合金,直径为0.3 6 56c m,线密度为0.6 0 7g/c m,系泊缆长度为1 4 5.5c m。单个铁链环的实际直径为0.1 8c m,铁链的轴向刚度为1 9 0N/c m。系缚点采用铁钩连接模型的方式,铁链最初由于自身重量而处于预紧状态。实验和数值计算的初始预设张力约为0.3 2N。浮箱转动惯量的测量值Ix x=0.0 1 5k gm2,Iy y=0.0 1 5k gm2,Iz z=0.0 2 1k gm2(箱体模型三主轴对称,交叉分量均为0)。然而,数值模型中浮箱的转动惯量是由D u a l S P H y s i c s的预处理工具使用构成粒子近似计算得到的,Ix x=0.0 1 67k gm2,Iy y=0.0 1 67k gm2,Iz z=0.0 2 31k gm2。如果进一步提高固体结构物的物理属性,必须使用更小的粒子间距(dp)值,将大幅度增加数值水槽模型的总粒子数和计算量。因此本文折中选择了一个计算量能够接受、对固体结构转动惯量影响能够接受的值。从计算的锚系浮箱的六自由度运动结果来看,所选浮箱转动惯量基本满足浮箱六自由度运动的模拟情况。图1 数值波浪水槽及系泊浮箱尺寸F i g.1 S i z e so f t h en u m e r i c a lw a v e f l u m e a n dt h em o o r i n gp o n t o o n采用集中质量点法1 9将模型每条系泊线离散为4 1个节点,由于铁链环之间并未焊接固定,因此将铁链近似视为具有弹性的绳索,弹性模量设置为2.7 8M P a。铁链内部阻尼系数在模型中自动设置每段的阻尼比为8 0%,附加质量只考虑横向,系数为1.0,横向二次阻尼系数设为1.6,轴向二次阻尼系数设为0.0 5。这些参数由D u a l S P H y s i c s预设和根据先前模拟经验手动调优得到。由于铁链的物理属性、尺寸大小和运动情况在不同的测试条件下存在较大差异,通常需要调整这些经验参数以适应不同的波浪与结构物相互作用模型。需要指出的是,由于铁链与波浪水槽底部的摩擦非常小,所建模型并未考虑海床摩擦。该实验中3组规则波的波浪条件见表1。表1 3组规则波的波浪条件T a b l e 1 W a v e c o n d i t i o n so f t h r e eg r o u p so f r e g u l a rw a v e s工况波周期(T)/s波高(H)/m水深(d)/m波长(L)/mH/L工况11.6 00.1 20.53.1 0 00.0 3 9工况21.8 00.1 20.53.6 1 50.0 3 3工况32.0 00.1 20.54.1 1 60.0 2 9 实验结果数据包括:波浪水槽内不同位置的自由水面高度变化,系泊浮箱的三自由度运动(垂荡、纵荡和纵摇),前、后锚链锚点处的系泊张力。工况1不同时刻的浮体模拟状态如图2所示。初始粒子距离dp=0.0 1m,光滑长度h=0.1 2m,此间距对应的粒子总数为4 8 3万个。模型采用8 0G B显存的G P U显卡N V I D I AT e s l aA 1 0 0进行计算,模拟物理时间为1s,则数值计算时间约为3m i n。图2 工况1不同时刻的浮体模拟状态F i g.2 S i m u l a t i o ns t a t eo f f l o a t i n gb o d ya t d i f f e r e n t t i m e图3给出了WG 1WG 6这6个测量点的波面高度在1 0s内实验和模拟结果的时间序列对比。可6411 第1 0期潘 昀,等:分布式海上漂浮光伏波浪水动力特性图3 3种规则波浪条件下波面的实验和模拟结果时间序列对比F i g.3 T i m e s e r i e s c o m p a r i s o no f e x p e r i m e n t a l a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fw a v e s u r f a c e su n d e r t h r e e r e g u l a rw a v e c o n d i t i o n s7411中 国 科 技 论 文第1 8卷 以看出,模拟结果与实验结果吻合较好。2个时间序列之间的微小差异远低于数值分辨率,这与数值模型中平滑长度值(约为0.0 2m)有关2 0。图中最后几秒内的结果存在差异,与在数值和实验水槽中波浪的反射有关。3种不同波浪条件下,数值消浪斜坡(图1(a)中坡度为1 1 0)的反射系数分别为5%(工况1)、6%(工况2)和8%(工况3),但实验结果存在较大的反射,如:WG 5从1 4s开始;WG 6从1 2s开始。图4给出了纵荡、垂荡和纵摇角度的实验与模拟结果的时间序列对比。可以看出,波浪周期为1.8s和2.0s的波浪条件下浮箱纵摇差异性较大,这与上述波面分析中一致,与实验结果中存在较大的消浪斜坡反射有关。图4 3种规则波浪条件下系泊浮箱纵荡、垂荡和纵摇的实验和模拟结果时间序列对比F i g.4 T i m e s e r i e s c o m p a r i s o no f e x p e r i m e n t a l a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so f s u r g e,h e a v e a n dp i t c ho fm o o r i n gp o n t o o nu n d e r t h r e e r e g u l a rw a v e c o n d i t i o n s 为了进一步描述物理实验和模拟结果中不同位置波面、浮箱运动、系泊线张力验证情况,采用2种不同的无量纲误差估计值进行量化:线性相关系数(R)和幅值误差(A),分别把物理实验和数值模拟的结果曲线代入式(1 1)和式(1 2)即可得到。R=1NNn=1(Mn-M)(On-O)MO。(1 1)式中:N为时间序列的数值个数;Mn为数值模型预测值;M为预测值的平均值;On为实验观测值;O为观测值的平均值;M、O为标准差。R的取值范围在-1和1之间,R趋于1说明物理实验和数值模拟结果相位匹配较好,R为负值说明2种结果相位吻合较差。然而,R值不足以表达振幅的差异,因此还需检验幅值误差(A),表达式如下:A=Nn=1(Mn)2Nn=1(On)2。(1 2)表2给出了图1(b)中6个位置波面变化、浮箱三自由度运动变化、系泊线张力变化的R值和A值,它们分别用于检验以上物理量变化曲线相位和振幅的精度。可以看出,不同波浪周期下R值和A值均接近于1,证明了基于D u a l S P H y s i c s建立的规则波与系泊浮箱相互作用数值模型能够很好地反演物理实验的结果。仅有T3=2.0s时浮箱纵摇A值为2.0 1,由图3和图4也可以看出,波浪周期为2.0s的工况下,波面验证效果并不十分理想,尤其是浮箱后方的WG 4 WG 6这3个采样点。主要原因与数值水槽后方消浪斜坡产生的波浪反射有关,但整8411 第1 0期潘 昀,等:分布式海上漂浮光伏波浪水动力特性体不会对结构物的动力响应产生较大影响。综上所述,所建波浪模型计算结果与实验结果(垂荡、纵荡、纵摇)吻合较好,前后系泊线的张力也吻合较好,因此基于D u a l S P H y s i c s建立的波浪模型能够很好地模拟计算海上系泊浮体结构物的动力响应特性。表2 3种规则波的线性相关系数(R)和振幅误差(A)T a b l e 2 V a l u e so f l i n e a r c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t(R)a n da m p l i t u d e e r r o r(A)o f t h e t h r e e r e g u l a rw a v e s参数T1=1.6sT2=1.8sT3=2.0sRARARAWG 10.9 81.0 20.9 90.9 80.9 70.9 7波面高度WG 20.9 70.9 00.9 10.9 00.9 70.9 0WG 30.9 90.9 70.8 50.9 80.9 40.9 8WG 40.9 60.9 90.9 80.9 80.9 80.9 5WG 50.9 90.9 70.9 90.9 40.9 71.0 0WG 60.9 70.9 40.9 90.9 70.9 80.9 1位移垂荡0.9 91.0 10.9 91.0 10.9 61.0 0纵荡0.9 50.9 70.9 80.9 60.9 81.0 5角度纵摇0.9 81.2 30.9 11.1 20.8 92.0 1张力10.8 90.9 70.9 11.1 20.9 20.9 8张力21.0 20.9 00.8 81.1 40.8 81.1 42 海上漂浮光伏系统数值模拟2.1 漂浮光伏系统模型基于验证后的D u a l S P H y s i c s波浪水槽,建立实际中尺度的三维光伏系统波浪水槽,如图5所示,模型以光伏系统左边缘中心为坐标原点建立三维坐标系。初始水深为5m,造波板高度为6.9m,波浪同样选择二阶S t o k e s波,设置消浪阻尼区长度为1 5m。对目前国内积极推广的一种漂浮式光伏系统进行简化,建立光伏系统模型,如图6所示。每块光伏板重3 1k g,重新计算浮体结构相对水的密度为0.2 1 7。所建立的单排光伏系统整体尺寸为1 9.2 4m3.4 4m0.1 8 m,七排光伏系统的整体尺寸为1 9.2 4m 6.4 4m0.1 8m。单排光伏和七排光伏系统水槽宽度分别为1 0m和2 0m。4根系泊线长度为4.8 2m,垂直系缚在模型的两端四角上。2.2 模拟工况为探讨海上漂浮式光伏水动力特性,光伏系统数值模拟研究由浅入深进行了如图6所示的2个阶段,分别是:1)单排光伏系统两端四角系泊状态下,不同波浪要素条件下波浪荷载的分布规律和运动规律;2)横向多排(27排)光伏系统两端四角系泊状态下,不同波浪要素条件下波浪荷载的分布规律和运动规律。目前的光伏结构仅能适应常规海浪,有一些应用场景主要包括海湾里或者防波堤掩护下的海域,所以数值模拟中波浪要素选择主要依据应用场景中图5 数值波浪水槽及系泊光伏尺寸F i g.5 S i z e so fm o o r i n gp h o t o v o l t a i c a n d t a n k透射和衍射的波浪要素2 1。因此,在波浪条件的选择上,单排光伏在两端四角系泊状态下,以5m水深,0.5 0、0.7 5、1.0 0、1.2 5m波高,3s周期为波浪条件进行模拟计算;横向多排光伏在两端四角系泊状态下,以5m水深、1.2 5m波高、3s周期为波浪条件进行模拟计算(27排)。使用4根系泊线系缚在浮体系统的四角,每排阵列包含1 0个光伏板。分析对比系泊状态下浮体结构整体所受波浪力,探究光伏浮体结构运动响应。S P H模型需要定义粒子间距离dp以创建流体和固体边界粒子。单排光伏模拟时,粒子间距dp=0.0 5m,粒子总数为34 1 6万个;多排光伏模拟时,dp=0.1 0m,粒子总数为67 3 6万个。平滑长度h=2.0 7 85m,所有工况模拟时间均为6 0s。3 模拟结果与分析3.1 系泊单排光伏系统水动力分析系泊状态下单排光伏系统整体受力情况和运动状态如图7所示。由图7(a)可以看出,在不同波浪作用下,整体受力具有很好的周期性。波浪对光伏系统整体产生纵向力和浮托力,在波高为1.2 5m时,波浪力达到最大值,为6 8.8k N,波浪在光伏浮体结构之间发生破碎。为了提高工程安全程度,以整体所受极值波浪力除以8(实际为1 0块光伏板)作为每块光伏板的平均受力。平均波浪力使用最小二乘法进行回归分析,得到关系式:Fm a x=3.4 4H+4.3 4。(1 3)式中:Fm a x为每块光伏板的平均极值波浪力,k N;H为波高,m。回归的方差系数为0.9 9,可见在该段波高的波浪范围内,波高和单排光伏系统的平均最大波浪力9411中 国 科 技 论 文第1 8卷 图6 光伏系统建模及数值模拟工况F i g.6 M o d e l i n ga n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f p h o t o v o l t a i c s y s t e m s图7 单排光伏系统受力情况和运动状态F i g.7 L o a dc a r r y i n ga n dm o t i o ns t a t eo f s i n g l e r o wp h o t o v o l t a i c s y s t e m呈现非常好的线性关系。使用得到的回归分析公式,浮体结构制造商提供的单个光伏板组成单元最大的承受荷载为1 0k N,反推出的最大承受波高为1.6 3m。不同波浪作用下单排光伏系统各项受力和运动参数见表3。图7(b)为波高1.2 5m时4根系泊线张力时历曲线。结合曲线和数据可以得出,4根系泊线的受力高度保持一致,具有良好的周期性。当波高大于1m时,波浪在光伏浮体结构之间发生破碎,进而导致系泊线的张力分布出现小幅值不规律波动。使用最小二乘法对表3中的数据进行回归分析,得到关系式:Te=-0.8H+7。(1 4)式中,Te为系泊线极值张力,k N。回归的方差系数为0.9 9,同样可以得出,在该段波高的波浪范围内,波高和单排光伏系统系泊线最大张力呈现非常好的线性关系。将表3中的运动数据进行对比,波浪正向入射光伏系统的运动形式主要表现在纵荡运动和垂荡运动,横荡运动接近于0,纵荡随着波高逐渐增大。表3 单排光伏系统各项运动参数统计T a b l e 3 S t a t i s t i c so fm o t i o np a r a m e t e r so fs i n g l e r o wp h o t o v o l t a i c s y s t e m参数波高/m0.5 00.7 51.0 01.2 5极值波浪力/k N4 8.8 05 4.4 06 3.2 06 8.8 0平均波浪力/k N6.1 06.8 07.9 08.6 0系泊线极值张力/k N6.7 18.1 79.5 71 1.3 1最大纵荡位移/m0.1 30.2 60.4 10.6 0最大横荡位移/m0000最大垂荡位移/m0.2 20.2 70.3 10.3 3最大纵摇角度/()0.0 10.0 10.0 20.0 2最大横摇角度/()-0.0 5-0.0 100.0 1最大艏摇角度/()0000.0 1 图7(c)为波高1.2 5m时的光伏系统运动时历曲线,计算稳定后最大纵荡为0.6m,横荡和垂荡非常小。当波高小于1.2 5m时,光伏系统基本没有摇的运动。由此可见,单排光伏系统在常规波浪作用下非常稳定。3.2 系泊多排光伏系统水动力分析实际海域中漂浮式光伏系统大多是多排阵列,0511 第1 0期潘 昀,等:分布式海上漂浮光伏波浪水动力特性一般呈长方形布置。多排光伏系统在5m水深、1.2 5m波高、3s周期为波浪条件下的受力情况和运动状态如图8所示。由图8(a)可以看出,随着光伏排数的增加,整体所受波浪力等梯度增大。3 0 6 0s内光伏系统整体受力趋于稳定,呈周期性变化,在该时间段内多排光伏系统各项运动参数统计见表4,平均波浪力仍按照单排光伏系统除以8作为平均值的统计结果。可以看出,从4排光伏系统开始,平均波浪力在4k N左右变化,在第6排达到最小值。因此,从受平均波浪力来看,光伏系统整体的平面尺寸至少应大于4排,其实际尺寸的长宽比为3.0。由图8(b)可知,6排光伏系统时,前后系泊线张力均匀且同步,计算4 0s后张力达到稳定。相比较而言,2排和3排光伏系统的前后系泊线张力不等且不同步,前系泊线受力较大;多于4排后4根系泊线张力分布平滑且保持一致。由表4可以看出,随着排数的增加,系泊线所受张力仅略微增加,每增加1排,系泊线极值张力增加约1k N,但是并非线性增加,而是逐渐趋于平稳。波浪作用下多排光伏系统运动仅有纵荡,横荡较小,垂荡保持在0.3m左右,如图8(c)所示。随着排数的增加,光伏系统所受波浪力逐渐增大,纵荡的数值也随之变大,最大值为1.4 9m。图8 多排光伏系统受力情况和运动状态F i g.8 L o a dc a r r y i n ga n dm o t i o ns t a t eo fm u l t i-r o wp h o t o v o l t a i c s y s t e m表4 多排光伏系统各项运动参数统计T a b l e 4 S t a t i s t i c so fm o t i o np a r a m e t e r so f t h em u l t i-r o wp h o t o v o l t a i c s y s t e m s参数排数1排2排3排4排5排6排7排长宽比9.95.63.93.02.42.01.8极值波浪力/k N6 8.89 9.61 2 6.01 4 1.51 6 5.91 7 7.22 2 2.8平均波浪力/k N8.66.25.34.44.13.74.0系泊线极值张力/k N1 1.01 2.71 3.21 5.71 7.11 8.11 8.3最大纵荡位移/m0.5 80.6 80.7 81.2 21.3 31.4 21.4 9最大横荡位移/m00.1 300.0 600.0 50最大垂荡位移/m0.3 40.3 60.3 70.3 60.3 80.3 90.3 9最大纵摇角度/()0.0 20.0 40.0 60.1 10.0 40.1 00.1 0最大横摇角度/()0.0 20.6 20.0 50.2 40.0 10.0 80.0 1最大艏摇角度/()00.0 50.0 10.1 00.0 10.1 004 结 论为了研究波浪作用下海上漂浮式光伏系统的水动力特性,基于D u a l S P H y s i c s开源程序建立了中尺度无反射数值波浪水槽,并结合系泊浮箱运动状态和系泊线张力的实验结果,验证了波浪水槽模型的可靠性。以分布式海上漂浮光伏为研究对象建立原尺寸模型,波浪传播方向上1 0个光伏板为1排,分析了单排光伏系统与多排光伏系统在5m水深和多种波浪要素的波浪作用下光伏系统结构的整体受力和运动响应,以及4根系泊线的张力变化规律。主要结论如下:1)在不同波浪条件下,系泊状态的单排和多排光伏系统整体所受波浪力