分布式海上漂浮光伏波浪水动力特性.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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,
15、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
16、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
17、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
18、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
19、 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
20、 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
21、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
22、 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
23、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
24、 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
25、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
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