極淺水大潮差海域漂浮式海上光伏陣列系泊系統優化設計

嚴 煒,常安騰,何文濤,宋憲倉,杜君峰

(中國海洋大學 工程學院,山東 青島 266100)

0 引 言

隨著化石能源的進一步消耗，環境問題日益突出，人們開始注重清潔能源的開發利用。光伏發電因不受地域限制、清潔無害、儲量巨大等優點而受到各國青睞，并逐漸成為21世紀各國新能源發展的重點[1]。與傳統陸地光伏發電相比，水上光伏有更顯著的優點，其可布設在礦坑、塌陷區、水庫、海洋中，這不僅節約土地資源，而且水面更為開闊，對于光照的利用效率更高。同時，水體對面板有冷卻效果，可提升約11%的發電效率；反過來，面板可阻隔光照、降低水體溫度，有效避免有害藻類的滋生，減少水體污染[2-4]。

漂浮式海上光伏是水上光伏的典型形式，但發展面臨諸多挑戰，至今尚無規?；虡I應用：一方面，與布設在水庫、湖泊地區的光伏結構相比，海上漂浮式光伏系統將面臨更惡劣的風、浪、流環境條件；另一方面，與傳統浮式平臺和浮式風電結構相比，漂浮式海上光伏系統作業水深更淺、受潮差影響更大，具有其特殊的非線性動力行為和設計要求，尚無成熟的設計標準/規范可供參考。

漂浮式海上光伏系統在進行海上作業時，需要系泊系統進行定位，而極淺水、大潮差條件下的系泊系統是漂浮式海上光伏系統設計的最大難點之一。不同行業領域對深、淺水的定義不同：對于傳統的石油行業，一般認為500 m為深水、淺水的分界，當大于500 m時則主要考慮應用浮式結構；對于海上風電而言，一般認為50 m以內為淺水，采用固定式結構進行開發，當大于50 m時則考慮采用浮式結構形式；對于海上光伏而言，當水深大于8 m時就需要考慮浮式結構形式。淺水系泊系統設計面臨諸多挑戰[5-6]，針對淺水系泊系統的分析設計，國內外已有許多學者開展相關研究。劉浩晨等[7]以水上漂浮光伏電站為研究對象，針對其水深淺且水深變化與總水深比例關系大的特點，綜合考慮風壓載荷與土體抗力的作用，在低水位時進行系泊系統設計，在高水位時校核其工作性能和安全性，設計出滿足要求的系泊系統。當水深較淺時，系泊系統的變形能較小，較小的平臺位移也會導致較大的系泊纜張力。馬勇等[8]針對漂浮式潮流能電站，設計帶有高彈性索的系泊系統，分析彈性索長度和水深變化對系泊系統的影響，發現在淺水海域，彈性索可有效降低系泊纜張力。余驍等[9]以淺水海域的船型浮式平臺為研究對象，針對淺水海域中懸鏈線效應不明顯的特點，在懸鏈線系泊中采用聚酯纖維纜，并與張緊式系泊進行對比，計算結果表明采用張緊式系泊各系泊纜張力過大，而懸鏈式系泊的系泊纜張力與浮體位移都滿足規范要求。與深水系泊相比，淺水系泊在觸發相同的波頻運動時會產生更大的系泊纜張力，針對這一挑戰，XU等[10]以淺海浮式風機為研究對象，設計7種不同的系泊方案，對比分析不同系泊方案的結構可靠性和經濟性。

由上述內容可知，淺水系泊的設計研究主要集中于水庫環境中的光伏系統或其他海洋浮式結構。水庫環境條件溫和，而其他海洋浮式結構雖然水深較淺，但也都大于50 m。對于漂浮式海上光伏平臺而言，水深更小，潮差變化相對于水深比例更大：在低水位時，系泊纜預張力較小，浮體水平位移大，而在高水位時，系泊纜預張力變大，系泊纜張力會急劇增大，系泊設計難度陡增，目前相關研究工作較少。本文針對作業于平均水深為10 m、潮差高達6 m海域的漂浮式海上光伏模塊陣列，研究風、浪、流和潮差等環境要素對系統動力響應的影響規律，優化設計一套帶浮子的淺水系泊系統，并驗證其對相應海域環境條件的適應性。

1 數值分析模型

1.1 耦合動力響應分析基礎理論

基于三維勢流理論，運用SESAM軟件和OrcaFlex軟件對漂浮式海上光伏模塊陣列進行頻域水動力計算和時域耦合動力分析。浮體在海洋環境中受到風、浪、流等多種載荷聯合作用，其動力學方程[11]可表達為

(1)

(2)

(3)

式中：ρair為空氣密度；ρw為海水密度；St為裝置受風面積；L為迎流寬度；Td為吃水；Cw為風力系數；Cc為流力系數；Vw為風速；Vc為流速。

1.2 漂浮式海上光伏模塊陣列

針對海上光伏開發，提出一種輕量化單層框架式漂浮式海上光伏模塊結構，模塊結構主要由3部分組成：浮筒、主框架和上層支撐框架。浮筒主要提供浮力，材料為高密度聚乙烯，內部填充聚氨酯，保障浮筒破損后仍可提供浮力。主框架為主要承力結構，材料為鋼，保證整體強度。上層支撐框架為鋁材，用于支撐光伏板。模塊主尺度為28 m×28 m，浮筒吃水為0.5 m，排水量為31.18 t，模塊結構形式如圖1(a)所示。所研究的漂浮式海上光伏模塊陣列設計裝機容量為1 MW，由9個光伏模塊組成3×3的陣列[見圖1(b)]，模塊間距為0.5 m，整個陣列平面尺度為85 m×85 m，整體排水量為280.61 t。

圖1 漂浮式海上光伏陣列

1.3 漂浮式海上光伏模塊陣列系泊系統整體布置

為保證漂浮式海上光伏陣列運動保持在一定范圍之內以保障電纜等相關設施的安全，需要采用系泊系統對其進行定位。在本研究中漂浮式海上光伏陣列采用張緊式系泊系統，系泊系統包含4組系泊纜，分布于方形陣列的4個角隅處，每組中的2根系泊纜相互平行，與x軸和y軸夾角均為45°(見圖2)，根據載荷初步估計，系泊纜采用聚酯纖維纜(導纜孔與錨點處有特殊耐磨層)，直徑為53 mm，軸向剛度為8 845.15 kN，單位長度質量為1.87 kg/m，破斷強度為70 t。

圖2 系泊系統布設形式

1.4 環境參數

所研究的漂浮式海上光伏陣列工作平均水深為10 m，潮差為6 m。近似地，所研究裝置最大作業水深為13 m，最小作業水深為7 m。作業工況選一年一遇環境條件，生存工況為五十年一遇環境條件。為保守考慮，考慮風、浪、流同向，環境載荷作用方向分別考慮0°、45°、90°，具體參數如表1所示。

表1 作業海域海洋環境具體參數

2 漂浮式海上光伏模塊水動力分析

2.1 單模塊水動力性能分析

在10 m水深條件下，使用SESAM-HydroD軟件對單個模塊進行頻域水動力分析，計算的浪向角為0°～90°，間隔為15°。經過計算得到垂蕩、橫搖和縱搖等3個自由度的運動響應幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，如圖3所示。

圖3 單個光伏模塊運動RAO

由圖3可知：對于模塊的垂蕩運動，隨著波浪周期增大，各浪向的單位波幅垂蕩幅值最后穩定在1 m附近，各浪向出現峰、谷值的位置有所不同，這由浮體與波面之間的相對位置/尺度關系所決定，但當波浪從不同方向入射時，在波浪周期為3～4 s都對應響應峰值，這與模態分析結果顯示單模塊的垂蕩固有周期為3.38 s一致；對于模塊的橫搖運動，隨波浪周期增大，運動響應幅值先急劇上升，再緩慢下降，主要出現2個峰值，模態分析結果顯示單模塊橫搖固有周期為2.49 s，因此曲線在小周期處出現峰值，在5～6 s附近出現峰值則是由于模塊結構尺度正好處于波浪半波長范圍內，波浪作用在橫搖自由度上的力矩達最大值；縱搖運動幅值曲線亦呈現隨波浪周期增大先急劇上升，再緩慢下降的趨勢，同樣主要出現2個峰值，模態分析結果顯示單模塊縱搖固有周期為2.51 s，因此其在小周期處出現峰值，而在5～6 s附近出現峰值的原因與橫搖運動類似。

2.2 多模塊耦合影響下水動力性能分析

漂浮式海上光伏陣列由多個光伏模塊組成，模塊間的干涉可能會對水動力分析結果產生一定的影響。為探究多模塊耦合是否會對水動力結果產生較大影響，對由4個光伏模塊組成的2×2光伏陣列進行水動力分析，并將結果與單體水動力結果進行對比。為方便對比，選取經典分析工況下的計算結果進行對比展示：0°入射下的垂蕩、0°入射下的縱搖和90°入射下的橫搖等運動RAO，具體如圖4所示。

圖4 多模塊耦合運動響應RAO

由圖4可知，在4個模塊耦合條件下，各模塊的水動力結果基本相同，運動響應幅值曲線基本重合，且與單個模塊的響應幅值曲線基本一致。對于所提出的浮體形式，模塊間的干涉對各模塊的水動力影響較小。因此，為提高計算效率，在后續光伏陣列數值仿真中，不考慮模塊間的水動力干涉效應。

3 漂浮式海上光伏系泊系統動力響應敏感性分析及其優化設計

在進行系泊系統設計時，系泊半徑和預張力是影響系統動力響應特性的重要因素；同時，該作業海區水深淺、潮差大，在系泊纜中布設浮子以提升系泊系統動力特性及其對水深的適應性?；谏鲜隹紤]，敏感性分析主要考慮系泊半徑、浮體位置、浮子凈浮力和預張力大小這4個系泊參數?；驹O計思路如下：首先在低水位時研究各系泊參數對漂浮式海上光伏陣列水平位移和系泊纜張力的影響，然后逐步進行優化設計，最后在平均水位和高水位條件下對所得系泊方案的定位能力和安全性進行校核[7]。系泊系統設計流程圖如圖5所示。

圖5 系泊系統設計流程圖

通過大量數值計算，模塊陣列運動和系泊纜張力最大值出現在浪向為45°或90°時(0°時，浮筒軸向迎流，流載荷、波浪載荷均較小)，因此在設計階段重點關注風浪流為45°和90°的生存工況，這里也僅列出這2個載荷方向下的計算結果。漂浮式海上光伏陣列的位移結果采用中間模塊的位移結果，系泊纜張力結果采用張力最大的系泊纜張力結果。模塊的許用位移根據實際作業需求和動態海纜等設備限制定為3.5 m。根據美國石油協會(API)規范[16]，對于時域模擬的動態系泊纜張力，在完整工況下最小安全因子為1.67。初始系泊方案為系泊半徑選60 m，預張力在7 m水深下設置為3 t，不布設浮子。在此方案基礎上，改變系泊半徑、浮子位置、浮子凈浮力和預張力大小，對系泊系統進行逐步優化設計。

3.1 系泊半徑影響

在進行系泊半徑設計時，考慮3種不同水深的情況：先在7 m水深下，系泊纜預張力設為3 t，依次改變系泊半徑為40 m、60 m、80 m、100 m，在生存工況下探究系泊半徑對漂浮式海上光伏陣列運動響應和系泊纜張力的影響；再改變水深為10 m、13 m，得到相應計算結果。綜合對比3種水深下不同系泊半徑對平臺運動和系泊纜張力的影響規律，統計結果如表2～表4所示。

表2 7 m水深下不同系泊半徑響應結果

表3 10 m水深下不同系泊半徑響應結果

表4 13 m水深下不同系泊半徑響應結果

由表2～表4可知：從整體上看，在同一水深條件下，隨著系泊半徑的增大，系泊系統的剛度變小，在同樣的環境載荷作用下，系泊纜張力最大值、平均值均呈現減小的趨勢；在同一系泊半徑下，隨著水深的增加，系泊纜張力最大值、平均值增大，這是因為水深增加，纜繩張緊，系泊纜預張力增大、系泊系統剛度增加。

在同一水深條件下，水平位移平均值隨著系泊半徑的增大而增大，這與系泊纜張力隨系泊半徑增大而減小相對應，即系泊系統剛度減小，位移增大，彈性/阻尼耗能增加，系泊纜張力減小。當波浪作用方向為90°時，在同一系泊半徑下水平位移平均值隨著水深的增大呈現減小趨勢。對于水平位移最大值，其變化規律較為復雜：在波浪作用方向為45°的情況下，當系泊半徑為40 m時其隨水深的增加而減小，當系泊半徑≥60 m時其隨水深的增加而增大；當波浪作用方向為45°時，在同一水深條件下，其隨系泊半徑的增大而增大。由計算結果可知，當系泊半徑為40 m和60 m時，均有安全因數小于1.67的情況出現，再綜合比較分析系泊纜張力和運動響應，以及出于節約成本考慮，最終系泊半徑選80 m。

3.2 浮子位置的影響

在系泊纜中設置浮子可降低系泊系統水平面內自由度的回復剛度，增大漂浮式海上光伏陣列橫蕩、縱蕩自由度固有周期，有效避免系統與波浪載荷共振響應，降低系統動力響應；同時，浮子可提高系泊系統對淺水條件下大潮差的適應能力。探究浮子位置對漂浮式海上光伏陣列運動和系泊纜受力的影響，在7 m水深下，采用提供1 t凈浮力的浮子，分別在距離錨點10 m、30 m、50 m、70 m處設置浮子。依據第3.1節的優化結果，系泊半徑選80 m，系泊纜預張力設置為3 t，在生存工況下對漂浮式海上光伏模塊陣列的運動響應和系泊纜受力進行分析，結果如表5和圖6所示。

表5 不同浮子位置下的響應結果

圖6 不同浮子位置下最大水平位移和最大系泊纜張力

表5給出不同浮子位置下最大系泊纜張力和最大水平位移，圖6給出其變化趨勢線(其中橫坐標為0代表無浮子情況)。由圖6可知：在總體上最大系泊纜張力隨著浮子距錨點的距離增大而呈現先減小后增大的趨勢，最大系泊纜張力在2種浪向下均在30 m處有最小值，分別為213.59 kN和221.95 kN，與無浮子情況相比分別減小10.26%和28.89%；對應于30 m處的最大水平位移都在3.5 m以內。由于潮差變化較大，在高水位時，系泊纜張力會急劇增大，因此在設計時優先考慮系泊纜張力較小的方案，將浮子布置在距錨點30 m處。

3.3 浮子凈浮力影響

在7 m水深下，系泊半徑選80 m，選擇在距錨點30 m處布設浮子，依次改變浮子凈浮力為1 t、2 t、3 t和4 t，預張力設為3 t，在生存工況下探究浮子凈浮力對漂浮式海上光伏模塊陣列系泊纜張力和運動響應的規律。結果如表6和圖7所示。

表6 不同浮子凈浮力下的響應結果

圖7 不同浮子凈浮力下的最大水平位移和最大系泊纜張力

由圖7(其中橫坐標為0代表無浮子情況)可知：在90°浪向下，最大系泊纜張力和最大水平位移都隨著浮子凈浮力的增大呈現先減小后增大的趨勢，最小值出現在浮子凈浮力為1 t時；在45°浪向作用下，最大系泊纜張力隨著浮子凈浮力的增大也是先減小后增大，但其最小值出現在浮子凈浮力為2 t時，最大水平位移隨浮子凈浮力的增大呈上升趨勢。綜合考慮2種浪向下浮體最大位移和系泊纜最大張力的情況，認為當浮子凈浮力為1 t時系泊系統性能較優。

3.4 預張力的影響

系泊纜預張力對浮體/系泊系統耦合動力響應有較大的影響：預張力設置過大，則會導致系泊纜過于張緊，易發生動態張力超限的現象；預張力設置過小，則系泊纜過度松弛從而導致平臺位移過大[17]。在7 m水深下，分別設置預張力為3 t、4 t、5 t、6 t、7 t，系泊半徑為80 m，在距錨點30 m處設置浮子，浮子凈浮力為1 t，分別計算生存工況下系泊纜的最大張力和平臺的最大水平位移，結果如表7和圖8所示。

表7 不同預張力下的響應結果

圖8 不同浮子位置下最大水平位移和最大系泊纜張力

由表7和圖8可知，最大系泊纜張力在2種浪向下都隨著預張力的增大而逐漸增大：在90°浪向下最大張力增加的幅度大于45°浪向；在90°浪向下，最大水平位移隨著預張力的增大呈現先減小后增大的趨勢，最小值出現在預張力為5 t時；在45°浪向下最大水平位移則在整體上呈現隨預張力增大而逐漸減小的趨勢，但減小幅度不大?？紤]到潮差變化達6 m，隨著水深增加，預張力明顯增大會導致系泊纜張力過大，優先考慮最大系泊纜張力較小的方案，因此最終預張力選3 t。

4 優化后系泊系統方案動力響應分析

通過對一些系泊參數的對比研究，最終系泊設計方案如表8所示，不同水深下的系泊纜形態如圖9所示。針對最終設計方案，進一步分析其在不同水深和不同浪向下作業工況與生存工況下的動力響應結果，同時在高水位時對系泊系統的定位能力和安全性進行校核，并與初始方案進行對比，計算結果如表9和表10所示。

表8 系泊設計方案

表9 2種工況下最大運動響應

表10 2種工況下最大系泊纜張力

圖9 不同水深下系泊纜形態

由表9和表10可知：與初始方案相比，優化方案在光伏陣列運動響應和系泊纜受力方面都有較大的提高，初始方案的最大水平位移為3.99 m，已超出模塊的許用運動范圍，而優化方案的最大水平位移為3.08 m，與初始方案相比減小22.8%；在系泊纜受力方面，初始方案的最大系泊纜張力為455.58 kN，安全因數小于1.67，優化方案的最大系泊纜張力為363.87 kN，與初始方案相比減小20.13%。由此可見，優化方案的系泊性能比初始方案有顯著提升。

由計算結果可知：在低水位時，光伏陣列運動響應較大，尤其當波浪方向為0°和90°時，在生存工況下其最大縱蕩位移和橫蕩位移達3 m，這是由于在低水位時，預張力小，纜繩較松弛，系泊系統恢復剛度較小，導致位移較大；在高水位時，平臺位移減小，系泊受力增大，這是因為在水位升高時，纜繩張緊，預張力變大；最大系泊纜張力出現在水深為13 m、波浪方向為45°時的生存工況下，其安全因數為1.89，仍大于1.67，滿足纜繩張力要求，說明在高水位時，其安全性符合要求。從整體上看，在高、中、低等3種水位以及作業工況和生存工況下，采用所設計的系泊方案，平臺運動響應和系泊受力均滿足要求，保證光伏系統在不同水深和不同浪向、不同工況下有較好的安全性。

5 結 論

以漂浮式海上光伏陣列為研究對象，針對其作業水深淺、潮差大等設計挑戰，探究系泊半徑、浮子位置、浮子凈浮力和預張力等要素對漂浮式海上光伏陣列運動與系泊纜張力響應的影響規律，通過逐步優化的過程，設計一套滿足功能和安全要求的系泊系統，得到以下結論：

(1)對于所提出的浮體形式，模塊間干涉對模塊的水動力影響較小，為提高計算效率，在光伏陣列的數值仿真中可忽略多體水動力干涉效應。

(2)改變系泊半徑、預張力等系泊參數可有效調節漂浮式光伏陣列的運動響應和系泊纜張力，合理選擇系泊參數可明顯改善系泊系統的定位性能和安全性能。

(3)在淺水系泊系統中設置浮子可有效改善系泊系統的動力特性，提升其對水深變化的適應性。