水面漂浮式光伏電站浮式基礎(chǔ)動態(tài)穩(wěn)定性分析

水面漂浮式光伏電站浮式基礎(chǔ)動態(tài)穩(wěn)定性分析曾杰;李德;陳衛(wèi)鵬;朱宜飛【摘要】ThedevelopmentoftraditionalPVplantisnowadaysstronglylimitedbythescarcityoflandresource,whichgreatlyhindersthedevelopmentofphotovoltaictechnology,howtosolvethelandresourcesshortageproblembecomesurgentinPVin-dustry.ThefloatingPVpowerstationcansolvetheproblemsoflandresourcesshortageproducedbytraditionalPVpowerstationandbecomesacompetitiveinvestmentsarea.Howtoensurethedynamicstabilityofthefloatingfoundation,themostimportantpartofthefloatingPVpowerstation,undervariouswindwaveconditionsisaconcern.Weusethefiniteelementtostudythefloatingfoundationdynamicstabilityunderdifferentwaves.Theresultsshowthatthefourcornerareasofthefloatingfoundationareloadconcentratedandshouldbepayedattentiontoindesignandoperation,andthisphenomenonisalsoverifiedbypracticalproject,whichprovesthefeasibilityofthemethod.%傳統(tǒng)地面光伏電站開發(fā)受土地資源稀缺限制，極大阻礙了光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，如何有效解決光伏發(fā)電領(lǐng)域土地資源短缺的限制，成為光伏行業(yè)亟需解決的問題.水面漂浮式光伏電站可布置于江河海域的水面,擺脫了傳統(tǒng)光伏發(fā)電受制于土地資源的影響，日益成為競相投資的領(lǐng)域.活式基礎(chǔ)作為水面漂浮式光伏電站中最為重要的部分，如何保證浮式基礎(chǔ)在不同風(fēng)浪載荷下的動態(tài)穩(wěn)定性顯得尤為關(guān)鍵.采用有限元分析軟件分析了在不同風(fēng)浪載荷下浮式基礎(chǔ)的動態(tài)穩(wěn)定性.分析結(jié)論與實際運行情況表明，漂浮式基礎(chǔ)在波浪荷載作用下4個角屬于荷載集中區(qū),在設(shè)計中應(yīng)予以加強.相關(guān)分析成果已成功應(yīng)用于某實際項目中，驗證了分析方法的可行性.【期刊名稱】《人民長江》【年(卷)，期】2018(049)002【總頁數(shù)】5頁(P79-83)【關(guān)鍵詞】水面漂浮式光伏電站;浮式基礎(chǔ);動態(tài)穩(wěn)定性;波浪荷載;有限元分析【作者】曾杰;李德;陳衛(wèi)鵬;朱宜飛【作者單位】長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010;長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010;長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,湖北武漢430010;長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010【正文語種】中文【中圖分類】TM6151工程背景根據(jù)國家能源局發(fā)布的光伏發(fā)電〃十三五”規(guī)劃，光伏裝機目標(biāo)明確上調(diào)50%，2020年光伏發(fā)電規(guī)模目標(biāo)已明確從之前的1億kW上調(diào)到1.5億kW，并且預(yù)計光伏發(fā)電價格將在2020年實現(xiàn)用戶側(cè)平價上網(wǎng)。眾所周知，傳統(tǒng)地面光伏電站存在永久占地面積大的弊端，根據(jù)統(tǒng)計［1］，傳統(tǒng)地面光伏電站每1萬kW裝機至少需占用土地10萬m2，有些光伏電站為減少光伏組件間的遮擋，需增大組件間的前后間距，更導(dǎo)致整個光伏電站占地面積擴大2~3倍。而我國人多地少，土地資源極其寶貴，可供大規(guī)模開發(fā)太陽能光伏電站的土地資源稀少。土地資源的短缺直接制約著太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展［3］,如何解決土地資源稀少與大力發(fā)展太陽能發(fā)電兩者的矛盾，開發(fā)全新的光伏發(fā)電技術(shù)迫在眉睫。本文對一種全新的光伏發(fā)電技術(shù)——水面漂浮式光伏發(fā)電中最為重要的浮式基礎(chǔ)動態(tài)穩(wěn)定性展開分析。2水面漂浮式光伏電站作為一種全新的光伏發(fā)電技術(shù)，水面漂浮式光伏發(fā)電站技術(shù)克服了傳統(tǒng)地面光伏電站受限于土地資源數(shù)量的制約。我國有3.2萬km長海岸線，近300萬km2的海域；有8.6萬座水庫，水庫水面總面積2561.9萬hm2；我國湖泊眾多，總面積9.1萬km2，面積1000km2以上的有2700多個，眾多的水面面積為大力發(fā)展水面漂浮式光伏電站提供了現(xiàn)實先決條件。根據(jù)實際運行情況，太陽能光伏電站開發(fā)的全生命周期為25a，作為新型的光伏發(fā)電技術(shù)，水面漂浮式光伏電站在各種復(fù)雜水域氣候條件下（如風(fēng)、浪載荷等）如何保證安全穩(wěn)定運行25a，成為水面漂浮式光伏電站開發(fā)中極其重要的先決條件。水面漂浮式基礎(chǔ)平臺作為水面漂浮式光伏電站中最為重要的載體，其基礎(chǔ)動態(tài)穩(wěn)定性直接決定了在不同水域氣候條件下，水面漂浮式光伏電站能安全穩(wěn)定運行，也直接影響著水面漂浮式光伏電站投資的收益性。3單個浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建首先構(gòu)建水面漂浮式光伏電站中的浮式基礎(chǔ)有限元模型，模擬漂浮式基礎(chǔ)置于水深20m的水體水面時，在風(fēng)浪聯(lián)合載荷作用下其運動及穩(wěn)定特性。首先進行浮式基礎(chǔ)的水動力計算［5］，簡化后的水動力模型如圖1所示。浮式基礎(chǔ)基本參數(shù)見表1。圖1浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型Fig.1Modeloffloatingfoundation表1浮式基礎(chǔ)基本參數(shù)Tab.1Basicparametersofthefloatingfoundation基礎(chǔ)吃水/m水深/m重心距水面高度/m質(zhì)量/kgX軸回轉(zhuǎn)半徑Rxx/mY軸回轉(zhuǎn)半徑Ryy/mZ軸回轉(zhuǎn)半徑Rzz/m主浮式基礎(chǔ)0.161200.01520.4090.350.5450.608副浮式基礎(chǔ)0.117200.0156.0120.4840.2630.5334浮式基礎(chǔ)外部載荷及平臺運動定義4.1波浪載荷基本概況波浪載荷是由波浪水質(zhì)點與結(jié)構(gòu)件的相對運動所弓I起的，隨機運動很難精確描述。當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的直徑小于波長的20%時，波浪載荷的計算通常用莫里森方程；當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的直徑大于波長的20%時，應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)對入射波場的影響，考慮入射波的繞射，計算時用繞射理論求解。⑶影響波浪載荷大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、群樁的相互干擾和遮蔽作用以及海洋生物附著等。(4)波浪載荷常用特征波法和譜分析法確定。4.2三維浮體波浪載荷計算三維浮體波浪載荷計算與二維勢流理論不同，此方法把平臺結(jié)構(gòu)作為一個整體，在平臺水下部分的表面上劃分網(wǎng)格，根據(jù)三維源匯分布理論，采用面元數(shù)值計算方法求解平臺在波浪中受到的載荷；波浪力考慮二階波浪力；對橫撐等小尺寸構(gòu)件采用Morison方程計算。4.3Aqwa-line理論三維勢流理論基本假定：①無黏性，②屬小波。因此整個流體可以用勢函數(shù)表示?？刂品匠虨槔绽狗匠蹋翰?(1)邊界條件。不滲透條件，即結(jié)構(gòu)速度和流體速度在方向上一樣。(▽(2)4.4二維小振幅推進波的基本特性由小振幅波理論可知，波速c、波長L、波浪周期T、波數(shù)k、波浪頻率3以及水深d之間的關(guān)系可用下式表示。⑶(4)⑸下面按照深水和極淺水兩種情況來討論。在深水情況下，一般當(dāng)相對水深的d/L>0.5時，th(kd)=1，則上述公式可轉(zhuǎn)化為深水短波的有關(guān)公式32=kg(6)⑺(8)在極淺水情況下，一般當(dāng)相對水深d/L<0.05時，比(kd片kd,則淺水長波的有關(guān)公式為(10)（11）由上述公式可知，在極淺水中，波速和波長隨水深的減小而減小。5波浪載荷下浮式基礎(chǔ)動態(tài)穩(wěn)定性5.1浮式基礎(chǔ)水動力壓力分析取0°和90°浪向，取不同波長入（880~38m）下的水動力壓力分布，從左到右，從上到下，波浪頻率由0.1rad/s增加到2.3rad/s。由淺水區(qū)的波長和周期的公式，計算各個頻率下的波長L。通過不同波長下水動力云圖可以發(fā)現(xiàn)（圖2）,隨著波長減小，整體水動力水平下降；局部水動力水平出現(xiàn)不同程度地變化，在浮式基礎(chǔ)的前端（x軸正向）水動力逐漸增大，中部水平下降，后部（x軸靠近原點處）保持著較高的水動力水平，但仍然處于下降勢態(tài)；兩端處于高負(fù)荷區(qū)。這些現(xiàn)象是由于波浪起伏，導(dǎo)致波浪載荷不均勻，如果x方向尺寸恰好處在一個波長（最嚴(yán)酷海況），在波峰和波谷的水動力均有極值；隨著頻率增加（波長下降），在區(qū)域不變的情況下，水動力極值出現(xiàn)愈加頻繁（即波峰和波谷的個數(shù)增加）。圖20°浪向,18種波長下的主浮體水動力壓力分布Fig.2Hydrodynamicdistributiononfloatingfoundationunder18typesofwavein0°wavedirection圖390°浪向，18種波長下的水動力壓力分布Fig.3Hydrodynamicdistributiononfloatingfoundationunder18typesofwavelengthsin90°wavedirection根據(jù)不同波長下水動力壓力分布云圖（圖2,3）,隨著波長減小，水動力水平呈先增大后減小的趨勢，在頻率大約為0.6rad/s時處于最大；而局部水動力水平在左端(y軸正向)和右端&軸負(fù)向)也是呈先增大后減小趨勢，而中部一直處于下降。波長減小到某個值，浮體處于最嚴(yán)酷海況，故此狀態(tài)下水動力增大，隨著波長的繼續(xù)減小，由于浮體中間中空，波浪橫向傳播到中空時，不連續(xù)，沒有達(dá)到下一個波長臨界值，故整體水動力水平不再上升。5.2自由漂浮幅值響應(yīng)算子與波浪頻率關(guān)系計算浮式基礎(chǔ)在不同的波浪頻率f下自由漂浮幅值響應(yīng)算子RAO的變化，如圖4所示。圖4不同方向RAO隨頻率變化Fig.4RelationofRAOwithfrequenciesinvariousdirections根據(jù)不同幅值響應(yīng)算子-頻率變化曲線(圖4)，除了3個轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定外，尤其是橫搖roll(x)和縱搖pith(y)，其余3個平動surge(x)、sway(y)、heave(z)相當(dāng)平穩(wěn);頻率一定時，隨著浪向由0°轉(zhuǎn)到90°，縱搖pitch(y)由最大逐漸下降直至趨于穩(wěn)定;而橫搖roll(x)則恰好相反，由最小增加到最大；艏搖yaw(z)先由一低水平增加到某一最值(大約是在45°浪向時)然后又下降趨于一穩(wěn)定值；在浪向一定(例如取45°)，橫搖roll(x)縱搖pitch(y)水平相當(dāng)，并且隨隨著頻率的增加增長率s越來越大，波浪頻率增加勢必會導(dǎo)致振蕩加劇。根據(jù)分析，在浮式基礎(chǔ)設(shè)計過程中需考慮浮式基礎(chǔ)受波浪頻率的影響，保證浮式基礎(chǔ)運行的穩(wěn)定安全性。由于坐標(biāo)軸xy選擇得靠近模型邊界，導(dǎo)致橫搖和縱搖不穩(wěn)定，且艏搖有較大的波動?，F(xiàn)濾去橫搖和縱搖以及艏搖三類運動，并取4種浪向(0°,30°,60°,90°)，單獨討論進退surge(x)、橫移sway(y)、深沉heave(z)，其幅值響應(yīng)算子與頻率圖像如圖5~6所示。圖5簡化工況下0°和30°方向RAO隨頻率變化Fig.5RelationofRAOwithfrequenciesin0°,30°directionsundersimplifiedcases在0°浪向下，橫蕩sway基本為零，升沉heave穩(wěn)定在1不變，縱蕩從某一較高值急劇下降，90°浪向類推，即將橫蕩換成縱蕩，縱蕩換成橫蕩；浪向由0°轉(zhuǎn)向90°，橫蕩不再為零，即波浪會在橫向產(chǎn)生分量，與此同時縱蕩逐漸趨于零；整個過程中，垂蕩始終保持不變，因為波浪假定是平面波，在豎直方向沒有分量。在浮式基礎(chǔ)設(shè)計過程中需優(yōu)化平臺質(zhì)量、回轉(zhuǎn)半徑、重心高度的合理比例，以優(yōu)化浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強度，滿足其安全穩(wěn)定運行要求。圖6簡化工況下60°和90°方向RAO隨頻率變化Fig.6RelationofRAOwithfrequenciesin60°,90°directionsundersimplifiedcases6結(jié)語本文介紹了用有限元分析軟件對漂浮式基礎(chǔ)浮塊在不同風(fēng)流載荷情況下進行動態(tài)穩(wěn)定性分析的情況。分析計算結(jié)果已成功應(yīng)用于湖北某水面漂浮式光伏電站中的漂浮式基礎(chǔ)設(shè)計，驗證了計算方法的可靠性。根據(jù)漂浮式基礎(chǔ)的動態(tài)穩(wěn)定性分析和項目的實際運行經(jīng)驗來看，漂浮式基礎(chǔ)在波浪載荷作用下四個角位置屬于載荷集中區(qū)域，而實際上四角位置是連接位置，在設(shè)計過程應(yīng)加強這些位置的強度，提高漂浮式基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)：李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)施工設(shè)計與維護[M].北京.人民郵電出版社，2010.何寶華，杜軍偉.晶體硅光伏組件