2024漂浮式光伏電站方陣載荷計算

218174，一步發(fā)展，傳統(tǒng)陸上光伏電站要占用巨大土地面的優(yōu)勢受到重視[2]。水面漂浮光伏電站可以安裝在張的問題[3]。我國擁有廣闊的近海區(qū)域及豐富的湖泊、水庫等資源，具有發(fā)展水上光伏的天然優(yōu)勢。水上光伏以其固定形式分為固定式及漂浮式兩種?；帐』茨鲜薪ǔ扇虻谝粋€單體容量達(dá)到40MW的漂浮光伏電站——潘陽光伏40MW水面光伏發(fā)電項

1Fig.1Floatingphotovoltaicpower一般而言，風(fēng)載荷是光伏電站的主要環(huán)境載值模擬對光伏板風(fēng)載荷系數(shù)群體遮蔽效應(yīng)進(jìn)行了角下電池板表面不同分布分塊區(qū)域的凈載荷體形系數(shù)。ShademanHangan[9]采用數(shù)值模擬的方法遮蔽效應(yīng)。Bitsuamlak等[10]采用大渦模擬方法研究CFD數(shù)值模擬是研究光伏板風(fēng)載方陣整體的風(fēng)浪流等環(huán)境載荷是系泊設(shè)計必不可40MW水面光伏發(fā)電項目170m170m的漂浮方陣為研究對象進(jìn)行環(huán)境載CFD方法[11]計算漂浮方陣風(fēng)載荷。2.5D的計算策略提高計算加實(shí)尺度方陣建模難度并且需要相當(dāng)多的網(wǎng)格單CFD計CFD計算的精度。兩種2所示。CFD

4。入口邊界條件為速度入口，出口為realizablek-ε模型[12]，壁面處采用非平SIMPLE(a)精細(xì)模型 (b)簡化模型圖2主浮體精細(xì)模型與簡化模型對比Fig.2Comparisonbetweenthedetailedmodelandthesimplifiedmodelofthemainfloatingbody3Fig.3Computationaldomainofsingle4Fig.4Singlesimplified成按式(1)Cf形式進(jìn)行6m3.5m與風(fēng)洞試驗(yàn)條件一致。采用旋轉(zhuǎn)模

Cf

式中各量均采用國際單位制，其中：FIN是水平方于從模型到實(shí)體換算得到載荷時在面積方面僅和縮尺比有關(guān)，故將特征面積取為，換算成實(shí)體時乘以縮尺比的平方即可v/(/s)浪、流三種環(huán)境載荷系數(shù)均采用此計算方式。簡化模型計算在不同風(fēng)向角下的受力規(guī)律與精細(xì)5Fig.5WindloadcoefficientsofthesingleCFD計算的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了單體簡化1∶2的縮尺1，模型示意圖及試驗(yàn)6所示。1Table1Basicdimensionsofthe長寬短邊高長邊高6Fig.6Singlesimplified

該單體模型在上海交通大學(xué)多功能風(fēng)洞]中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)風(fēng)速9/s?？紤]到對稱性，在0°~805°10~30區(qū)間設(shè)5。對比試驗(yàn)結(jié)果與簡化模型計CFD模擬該類型流場的準(zhǔn)確CFD工作提供了基礎(chǔ)支持。7側(cè)(北側(cè))副浮體相比右側(cè)缺少了與主浮體相鄰的部008。7Fig.7Schematicofa4800萬。主浮體與副浮體凹凸不平的表面在5mm。8Fig.8Computationaldomainof15m/s，背風(fēng)面設(shè)為壓力出口?？紤]到方陣東西方算。其中0為北風(fēng)，90為西風(fēng)，180為南風(fēng)，以99Fig.9Windload

整體風(fēng)載荷曲線基本呈現(xiàn)出沿90對稱的形狀，90風(fēng)向角下風(fēng)載荷最小。0與180風(fēng)載荷遠(yuǎn)90，0180，且為各風(fēng)向下最大值，伏板所受風(fēng)載荷按風(fēng)向角的變化規(guī)律與整體風(fēng)載荷規(guī)律一致；主浮體與副浮體風(fēng)載荷隨風(fēng)向角變化規(guī)律不大。0風(fēng)載荷最小。除90附近的其他風(fēng)向角下，光伏板貢獻(xiàn)了大部分風(fēng)載荷，為主要受風(fēng)構(gòu)件。2.5D3D簡略計算可以得到不同風(fēng)向圖10為北風(fēng)時方陣中風(fēng)載荷分布云圖，從10可以直觀感受到風(fēng)載荷由迎風(fēng)位置到末端的11所示。列風(fēng)載荷分布曲線基100Fig.10Windloaddistributionat0°incident2.5D計算的方法，即針對南北向一列基本單9811也反映出中間位置的列載荷均勻一致，理論2.5D3D計算中中間位置一列110Fig.11Columnwindloaddistributionat0°incident2.5D2.5D3D的計算對比，兩個計算的網(wǎng)格密度與計算設(shè)置完全一致，從而排除了由于網(wǎng)格差異與計算方法不同而產(chǎn)生25D8123D492.5D的結(jié)果，兩條曲線的2.5D3D計算的可行性。2.5D計算可以采用較精細(xì)的網(wǎng)格，提高風(fēng)載荷的122.5D3DFig.12Comparisonbetween2.5Dand3D本研究對漂浮式光伏方陣的風(fēng)載荷進(jìn)行了風(fēng)CFD

塊(太陽能板及主浮體)的1∶6縮尺模型方陣的風(fēng)洞CFD計算進(jìn)行對比，可以驗(yàn)2.5D計算提供計算設(shè)置及網(wǎng)格18行(18行)11列(從西向東列編1~11)13所示。試驗(yàn)中用測力天平對1186測量。試驗(yàn)風(fēng)速為15m/s，測量了該方陣模型在0~18022.59個方向角下的各選定單元13Fig.13TestmodelCFD計算。170014所示，計算域主體部分與風(fēng)洞試14Fig.14Computationaldomainoftestk-ε度壓力耦合采用SIMPLE計算完成后提取試驗(yàn)測試位置的浮體與光伏板模型的受力，與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，繪制曲線如15。15Fig.15Comparisonbetweencomputedresultsandmeasureddataofmodelarray導(dǎo)致流場中鈍體所受摩擦阻力及壓差阻力情況均DES方法或許可以得到較好的局部結(jié)果。

映的方陣載荷沿東西向的分布與初步計算的結(jié)果盡管在某些局部位置計算值與試驗(yàn)值有一定0.05160.05394.4%的 2.5D計算結(jié)果修正漂浮方陣風(fēng)載荷采用與上述試驗(yàn)工況計算一致的數(shù)值求解方2.5D工況進(jìn)行高精度計算。陣簡略計算得到的中間第50列風(fēng)載荷系數(shù)9.3860.54717mm50mm1616Fig.16Unitmodel計算區(qū)域中浮體方陣四周計算域各向外擴(kuò)張600m2233.696列列流載荷分布規(guī)律表間部分略微降低。行流載荷分布總體上可分為兩20行組成流載荷下降段，下降段之后流載170°Fig.17Columnloaddistributionat0°incident180°Fig.18Rowloaddistributionat0°incident圖19為以各單元編號坐標(biāo)及對應(yīng)流載荷大小2.5D計算結(jié)果?？梢姡?.5D計算結(jié)果可以較準(zhǔn)確地預(yù)報0°流向角190°2.5D計算結(jié)果對比Fig.19Distributionofcurrentloadsof3Dcomputationandcomparisonwith2.5Dcomputedresults

00.183m/s、0.5m/s、1m/s、1.5m/s2.5D南北一列單元流載荷系數(shù)進(jìn)行計算，2。22.5DTable22.5Dcurrentloadcoefficientatvariouscurrentspeeds流速2.5D 不同流速下的2.5D流載荷系數(shù)變化基本平穩(wěn)，僅在0.183m/s的低流速下受到摩擦阻力特性流速大于0.5m/s即可認(rèn)為流載荷與流速平方成正SESAM對漂浮方陣波浪載荷位波幅規(guī)則波作用下漂浮方陣的波浪載荷隨行列50年一遇的極端條件下漂xyz向內(nèi)方向必須通過系泊系統(tǒng)的錨鏈提供的錨力來限制方陣的位移。漂浮方陣水平方向內(nèi)所受的波浪z軸的力矩會使漂浮方陣FxFy以及波浪力矩Mz進(jìn)行計算及分析研究，其中波浪力矩Mz參考鄱陽湖歷年風(fēng)浪統(tǒng)計[15]，選取的波浪周T1.5s~5.2s(圓頻率1.2rad/s~4.2rad/s)6m0°45°90°。Fx20。20Fig.20Studyongrid203867976767在波浪的周期范圍內(nèi)計算在單位波幅條件下6、8、10、12、14、1618時，方陣所受最大波21。同樣，研究漂浮方陣所32，22。21Fig.21Waveloadsasthenumberof21可知，隨著行數(shù)的增加，整體方陣所21kN

22可知，整體22Fig.22Waveloadsasthenumberof36萬個面網(wǎng)格，軟件網(wǎng)格總數(shù)限1.52520的方陣，由上述研究的波浪載荷隨行列的變化規(guī)律可n541，12096方陣在單位波幅條件下所受的波浪載荷：根據(jù)54、108、1512、2016、2520120×96方陣所受的波浪載荷。02390時，2445時，波浪載荷計算252627。230°Fig.23ComputedFxin0°wave2490°Fig.24ComputedFyin90°wave2545°Fig.25ComputedFxin45°wave

23~27120963。3Table3Waveloadsonthefloatingarrayatincidentwavewithunitamplitude045z軸的旋轉(zhuǎn)力矩。 5050意義的兩個波高分別為有義波高H1/3和最大波高H1/10的關(guān)系[17]：

gF 1/355.5103 2645°Fig.26ComputedFyin45°wave

U U2 gh

gF0.35tanh30U2 U2

2745°Fig.27ComputedMzin45°wave

式中：g為重力加速度；U為風(fēng)速；Fh50年一遇時，漂浮方陣所在湖泊的最大設(shè)計風(fēng)速U=30m/s，相當(dāng)于11級風(fēng)力[19，在鄱陽湖環(huán)境條件下風(fēng)區(qū)長度F=38000mh=6m，由式(2)和式(3)可得H1/3=1.62mH1/10=2.06m。50年一遇極限條件下4。4Table4Waveloadsonthefloatingarrayundertheextremeconditions 浪 法依然有效；波浪載荷計算的主要參數(shù)之一是波高，其值由內(nèi)湖風(fēng)生波經(jīng)驗(yàn)公式計算，對其他情針對漂浮式光伏電站方陣龐大而復(fù)雜的特點(diǎn)，28證。首先，對單體光伏板+浮體模型進(jìn)行數(shù)值計算DD計算，得到整體風(fēng)載荷25D25D進(jìn)而獲得較為準(zhǔn)確的整體方陣風(fēng)載荷。流載荷與風(fēng)