海上漂浮式光伏阵列单浮体结构设计.pdf
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1、第45卷第19 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.19Oct.,2023海上漂浮式光伏阵列单浮体结构设计张景飞,易玲,郭攀(郑州大学力学与安全工程学院,河南郑州450 0 0 1)摘要:目前,建立在静水面上的FPV电站单浮体结构已经不能完全适应复杂多变的海上环境,故提出适用于海上水动力学FPV阵列系统的3种浮筒式浮体结构,以15阵列FPV系统为研究对象,采用大型通用软件AQWA对15FPV阵列系统进行水动力研究,分析这3种浮体结构在不同工况下的稳定性和端部缆绳的受力情况。结果显示,单浮筒结构浮体适合在风荷载较小的水面安装,多浮
2、筒结构的浮体更适合安装在复杂多变的海上环境。研究结果对未来FPV阵列系统的设计提供一定的理论基础。关键词:FPV单浮体结构;缆绳受力分析;稳定性分析;AQWA中图分类号:P751文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)19-0 10 4-0 7Design and optimization of single-module structure of offshore FPV system(School of Mechanics and Safety Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)Abstract:A
3、t present,the single-floating structure of the FPV power station built on the still water cannot fully adapt tothe complex and changeable offshore environment.Therefore,three pontoon-type floating structures are proposed for theFPV array system for offshore hydrodynamics.Taking the 1x5 array FPV sys
4、tem as the research object,the large-scale gen-eral software AQWA is used to conduct hydrodynamic research on the 1x5 array FPV system,the stability of the threefloating structures under different working conditions and the force of the end cables are analyzed.The results show that thesingle-buoy st
5、ructure buoy is suitable for installation on the water surface with less wind load,and the multi-buoy structurebuoy is more suitable for installation in the complex and changeable offshore environment.The research results provide animportant theoretical basis for the design of future FPV array syste
6、ms.Key words:FPV single component structure;cable force analysis;stability analysis;AQWA0引言经济的快速发展以及不可再生资源的发展受限,促使可再生资源光伏发电得到飞速发展-2 。近年来,陆地光伏电站开始大规模建立起来,但是没有更多的土地用来安装光伏电站,这严重制约了陆地光伏电站的进一步发展3。为了进一步发展光伏发电,漂浮式光伏(FPV)走进了人们的视野4。与安装在陆地上的光伏电站相比,FPV是一种安装在水面上的发电系统,不仅可以节约土地资源,而且还可以冷却光伏组件及电缆,也能够提高发电效率。此外FPV还能抑
7、制水量蒸发、减少藻类生长,也有益于水产养殖和捕捞效益相关学者对光伏系统结构进行了优化研究,但主收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 2作者简介:张景飞(197 4),男,博士,副教授,研究方向为漂浮式光伏系统力学性能。文献标识码:AZHANG Jing-fei,YI Ling,GUO Pandoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.19.019要聚焦于安装在地面、湖泊等静水面上的光伏系统结构上。Ab等6 总结了地面太阳能光伏系统结构设计和安装中的问题。高良等7 通过风洞试验和数值模拟相结合,研究了光伏系统结构支架单元的风场特性。DS等8 研究了基于非均匀变异遗传算法的
8、太阳能光伏系统结构参数优化。Li等9研究并优化了一种新型平板PV/T系统的夹层结构CdfTe薄膜太阳能组件。由于目前陆地和淡水湖泊的条件与海上环境不同,因此应考虑对暴露于海上环境的FPV系统单浮体阵列进行研究,从而设计出一种适用于海洋环境的FPV单浮体结构。现有的FPV一般放置在天然湖泊、人工水库等水面上,其所受环境荷载小,不需要很强的锚固系统。第45卷光伏组件只需提高基础的浮力即可。传统的FPV电站如图1(a)所示,上部分倾斜放置光伏发电板,下部分由轻式泡沫板组成,起到一定的浮力作用。但是如果传统结构的FPV安装到海上环境中,就显得尤为不适应。例如,出现图1(b)所示的结构破坏,这是由于海平
9、面上巨大的风荷载,使得传统结构的FPV非常容易遭到损坏。当光伏发电板安装角度过大的时候,并不能抵抗所有角度的风荷载。所以需要研究出一种新型FPV单浮体结构,以满足复杂的海上环境,抵御风浪流等复杂的环境荷载。提出一种新的FPV浮体结构是设计FPV阵列系统的必要前提,本文着重研究FPV单个浮体结构的受力机理。(a)(b)图1FPV电站示意图Fig.1 Schematic diagram of FPV power station1基本理论FPV结构在受到风、流、浪的环境荷载下相对于平衡位置作摇摆运动,由牛顿运动定律可得到风、浪、流共同作用下的运动方程10 1为:(M+m)x+x+kx=Fzo式中:F
10、,为主要考虑风、浪、流的外部载荷;k为静水恢复力力矩;M为FPV结构质量矩阵;m为附加质量矩阵;x为幅值响应算子;x为幅度响应算子一阶导数;为附加阻尼矩阵。风荷载F的计算公式为:Ff=CiC2PfS,Pf=0.613v/2。式中:Ci为形状系数;C2为高度系数;Pf为基本风张景飞,等:海上漂浮式光伏阵列单浮体结构设计为常数且水中没有流0。速度 满足如下质量连续性方程:V(x,y,z,t)=0,流场中总的速度势是由人射波速度势、绕射势和辐射势相互叠加而成的,即d(x,y,z,t)=Q(x,y,z,t)+D(x,y,z,t)+dR(x,y,z,t)。式中:D为绕射势;/为入射波势;R为辐射势。求得
11、速度势(x,y,z,t)之后,伯努利方程给出流场中的任一点压力,作用在浮体的荷载由压力分布函数得出。FPV结构湿表面的水动压力P、波浪力Fw、力矩Mw可以表示为:ad(x,y,z,t)P=-potFW=T-Pnids,JSBMw=JJs,-P(rxn)ds,SB式中:亢为浮体湿表面外法向量;为浮体湿表面外切向量;s为单元面积;SB为平台湿表面;p为海水密度。流速对结构物的作用力为Fc,其表达式为:ch 1Fc=JoCasv式中:Ca为阻力系数;dz为沿高度的积分;h为水深;(1)S为投影面积;Vc为海水流速。2模型的建立与计算2.1基础平台参数FPV结构主要是由上部的太阳能光伏板和下部的浮体部
12、分组成,太阳能光伏板主要用于光伏发电,浮体部分主要在水面上起到一定的支撑作用。太阳能光(2)伏板上所受到的风荷载通常是FPV结构设计的重要考虑因素。风荷载对于FPV结构的稳定性尤为重要。如(3)图2 所示,FPV结构位于海面或湖泊之上。浮体通过浮力支撑太阳能光伏板,浮力与太阳能光伏板自身的105压;S为受风面积;Vf为设计风速。FPV结构在复杂多变的海上环境中,主要受到波浪载荷的作用力。本文采用势流理论方法对漂浮光伏浮体进行波浪载荷计算,假定为理想流体、不可压缩且忽略表面张力、运动是无旋的、存在速度势、水深(4)(5)(6)(7)(8)vcdz.(9)106重量相平衡。当风荷载从太阳能光伏板前
13、侧流入时,升力作用在太阳能光伏板的向下方向上,为防止FPV结构因升力而下沉,应增加浮体的浮力。相反,如果风荷载在太阳能光伏板后侧流人时,升力作用在太阳能电池板的向上方向,为了防止FPV结构被升力倾覆,应增加浮体或太阳能电池板的重量。然而,风向无法确定或预测,随时都在变化。为了抵抗不同方向的风荷载,采用两侧呈小角度的安装形式,如图3所示。为了增加整个PFV光伏结构的浮力,结构上部为三角形桁架,两侧呈5角度安放太阳能光伏板。为了增大排开水液体的量,下部浮体部分采用空腔钢结构体。升力太阳能太阳能光伏板光伏板拉力风重力浮体部分浮力图2 原始型FPV光伏组件结构示意图Fig.2 Schematic di
14、agram of the original FPV module structure升力风拉力太阳能光伏板舰船科学技术图4FPV阵列系统基础平台模型示意图Fig.4 Schematic diagram of the basic platform model of the FPVarray systemJoint1Joint2Joint3Joint4Cable 2风、流、浪Cable1拉力Fig.5 Schematic diagram of 15 array FPV system升力风重力浮体部分浮力风太阳能光伏板重力浮体结构第45卷ZXCable 4M1M2M3M4M5图51x5阵列FPV系统
15、示意图(a)结构A(b)结构BCable3浮力图3新式FPV组件结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the new FPV module structure本文研究的海上漂浮式阵列由5个相同模块依次连接成15的阵列系统,浮体依次编号M1M5。模块之间用销绞连接在一起,销绞依次命名为Joint1Joint5,各模块之间间隔为1m。两端锚链平行与x轴连接至海底,锚链分别命名为Cable1C a b le 4。详情如图4和图5所示。2.2三种浮体结构的提出在原始FPV结构的基础之上,提出3种空腔钢材料浮筒式结构,分别是单浮筒式浮体结构、多浮筒式浮体结构和多矩形浮筒式浮体结
16、构,在此称之为结构A、结构B和结构C,简化浮体计算模型如图6 所示。模型具体参数如表1所示。(c)结构C图6 浮体结构示意图Fig.6Schematic diagram of floating body structure2.3锚固系统参数安装FPV系统的水深范围为1 17 m,设定水深为18 m。锚链由于坚固耐用且具有良好的抗磨损能力等优点,在浅水区常作为浮式结构物系泊材料。而且,悬链系泊的重量有助于浮式结构物的位置控制,缆绳越重越能够减少浮式结构物的摆动,所以选用R3“全锚链”作为缆绳的材料。锚链的主要参数如表2 所示。2.4环境工况为了研究3种浮体结构在海上环境的稳定性以及端部缆绳的受力
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