水面光伏浮体结构安全性评估方法研究

田纵横 刘海波 喻 飞 刘 爽 甘 进*

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (长江勘测规划设计研究院2) 武汉 430010)

0 引 言

水面浮式光伏电站，将太阳能发电技术与水库、湖泊等水面结合起来，建成水面上的光伏电站，与陆地光伏电站相比，具有节约用地、发电效率高和充分利用水面资源实现“渔光互补”等多方面优势，但是由于其工作环境的特殊性，对浮体结构的承载能力提出了更高的要求.

风浪是湖泊中重要的水动力因素，同时也是水面光伏浮体结构安全性评估需要考虑的主要环境载荷，由于内陆湖泊及小型水库的风浪环境远不如海洋环境恶劣，利用现有的海浪谱分析方法进行水面光伏浮体波浪载荷短、长期预报，显然存在不足，寻找到适用于水面光伏浮体的湖泊及小型水库风浪载荷至关重要.目前，国内外对湖泊的风浪形成和发展规律早已展开研究,计算风浪要素时大多数采用半理论、半经验法[1]，主要有美国的SMB法、太湖(浅水湖泊)风浪计算公式、小风区风浪公式、福建莆田实验站法等.

水面光伏电站是近年来才迅猛发展的新能源项目，日本的水上漂浮式光伏发电技术保持着世界领先地位，韩国和印度也在积极研发和推广该技术[2].国内相关研究还处于起步阶段，潘霄等[3]针对单个光伏浮式基础结构进行了静态结构强度分析，何啸[4]提出了一种海洋漂浮式光伏发电装置，研究了海浪影响下的浮体运动特性及光伏发电性能.由于水面光伏浮体阵列结构庞大，作业环境及载荷复杂，尚未有水面光伏浮体阵列结构安全性评估方法的研究，也无相关行业规范，因此，需要借鉴文献[5-7]相关海上浮式平台研究方法和成果展开研究.

光伏浮体结构安全性评估主要包括三个方面：①基于三维势流理论的频域内运动响应及波浪载荷的分析；②锚固状态下钢丝绳系泊力计算和可靠性分析；③风浪联合作用工况下的浮体结构强度计算和优化.基于此，段艳丽等[8]针对系泊状态下的半潜式平台波浪载荷展开研究，通过数值分析软件ANSYS得到了平台的波浪力和波浪弯矩.薄景富[9]介绍了设计波法在半潜式平台整体响应和结构强度计算中的应用.肖越等[10]利用数值方法研究了锚泊浮体在风、浪、流联合作用下的运动响应和锚链线张力变化规律.曹剑锋等[11]采用ANSYS/AQWA软件对极大型浮体水动力响应、波浪载荷及总体强度进行了计算分析.因此，本文拟结合相关风浪载荷规范和船舶与海洋工程领域结构强度直接计算方法，对水面光伏浮体的运动响应及结构安全展开分析.

1 分析模型及载荷选取

1.1 数值模型

按照某光伏电站项目的水面光伏浮体建立数值分析模型，浮体结构主要分为主浮体、连接浮体和光伏组件三部分，见图1.主浮体和连接浮体均采用高聚乙烯材料，浮体间的连接方式采用螺栓铰接.

图1 水面光伏浮体结构图

1.2 风载荷

光伏结构基本风压的计算应参照文献[5]并结合光伏浮体设计寿命进行选取.以安徽省六安市附近某小型水库水面光伏电站设计为例，水面光伏浮体设计寿命为25年，根据规范要求，需采用10年一遇和25年一遇基本风压进行风载强度校核，全国各城市重现期基本风压计算见式(1)，经基本风压公式(2)折算，需校核风速分别为18和21 m/s.

(1)

(2)

式中：x100为100年一遇基本风压，取0.4 kN/m2;x10为10年一遇基本风压, 取0.2 kN/m2;R为重现期；w0为基本风压；ρ为空气密度；v0为需计算校核风速.

1.3 波浪载荷

水面光伏浮体工作环境为内陆湖泊或小型水库的水湾或近岸水域，风是产生波浪运动的最主要原因.由于广泛应用于海洋结构领域的设计波法，未考虑到风载荷对湖面波浪的直接影响，且计算所需要的湖泊或水库的实测风浪数据难以获得，故单一使用设计波法进行波浪要素的确定并不合理，因此，本文采用内陆湖泊或水库风浪计算公式与设计波法相结合的方式，对浮体结构在不同风浪条件下的危险波浪工况进行计算分析.

本文计算的水面光伏电站位于丘陵环绕的有限风区水域，有效风区长度为1 000 m.考虑到波浪的波长与风区长度和水域大小密切相关，有限的风区长度和水域不利于大波长的产生，故参考文献[5]中莆田-鹤地试验站公式，对校核风速下内陆湖泊或水库的平均波高和波长进行相关计算，其平均波高和波长计算公式分别为

(3)

Lm=0.038 6vD0.5g-0.5

(4)

式中:Hm为平均波高；d为平均水深；v为校核风速；D为风区长度；Lm为平均波长.综上可得，10年一遇和25年一遇基本风速下的平均波高分别为0.27和0.32 m，平均波长分别为7和8.2 m.

2 水动力计算分析

2.1 频域运动响应及危险波工况

根据内陆湖泊和小型水库波浪特点，水面光伏浮体的破坏形式多为小范围内风浪载荷作用下的局部区域破坏，当浮体阵列组合尺寸接近或等于波长时，将可能发生最严重中拱或中垂现象.结合10年一遇和25年一遇风速下的波长，选取4×4光伏浮体组合进行研究，4×4模型长8 m、宽7.5 m，水动力模型见图2.

图2 4×4组合水动力模型图

采用ANSYS/AQWA数值分析软件对4×4光伏浮体组合模型进行浮体运动和波浪弯矩响应分析时，应首先开展各种响应传递函数的预报，以掌握浮体结构在波浪中响应的基本特征.

在光伏浮体运动响应数值计算分析时，按照DNV规范中设计波法要求，设置七个波浪入射方向：0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°.每个浪向和单位波高下，波浪频率取 23个，包括了内陆湖泊和水库的主要能量成分和浮体阵列的主要响应区域：0.1～8 rad/s.4×4光伏浮体组合模型在15 m水深条件下，不同波浪入射角的六自由度运动响应传递函数，见图3.

图3 六自由度运动响应传递函数

考虑到垂向波浪弯矩、水平波浪弯矩及风载荷，是影响光伏浮体阵列组合结构安全性的主要因素，风浪联合作用时可能会产生最危险中垂工况，因此，针对4×4光伏浮体组合模型的垂向波浪弯矩和水平波浪弯矩进行详细分析，以确定最危险工况时的波浪频率，见图4.

图4 波浪弯矩RAO

由图4可知，波浪入射角度为0°和90°时，沿X方向和Y方向的垂向波浪弯矩最大，波浪频率均为0.63 Hz，波浪入射角度为60°时，水平波浪弯矩达到最大，波浪频率为1.12 Hz.

结合文献[5]要求的风载荷、内陆湖泊或水库风浪计算公式确定的平均波高和波长，以及频域内计算分析所得到的波浪频率和相位，可以得到用以锚泊分析及结构强度计算的六种危险波工况，见表1.

表1 4×4光伏浮体组合模型危险波工况

2.2 时域锚泊强度分析

针对100 kW光伏浮体阵列实际尺寸建立锚泊数值分析模型，模型长28 m、宽24.12 m，由14×14个光伏浮体单元组成.应用AQWA-DRIFT开展风浪联合作用下的时域计算，计算工况为表1所确定的六种危险波工况，锚固系统为18根钢丝绳对称布置的形式，具体布置方案及风浪入射角见图5.

图5 100 kW光伏阵列锚泊布置图

在水面光伏浮体锚泊方案设计的初级阶段，运用时域耦合的数值分析方法对锚泊系统进行动力分析，研究在4×4光伏浮体阵列发生局部破坏的六种工况时，设计的100kW光伏浮体阵列锚泊系统是否稳定，钢丝绳的应力是否在许用应力范围之内以及能否满足特定的系泊要求.下面给出时域耦合分析得到的各工况下钢丝绳最大平均张力的统计数值，见表2.

表2 不同工况下钢丝绳张力计算结果

由表2可知，在工况4时钢丝绳张力达到最大值16.8 kN.图6为该工况下钢丝绳张力的时域响应曲线图.通过光伏浮体对角拉伸试验，测得单个耳板对接强度大致为10～15 kN，实际锚泊时采用单根锚绳连接多个耳板的连接方式，每个耳板实际承载力远小于16.8 kN.故而，该锚固方案满足水面光伏浮体结构强度要求.

图6 工况4钢丝绳张力时域响应曲线图

3 浮体阵列结构强度校核

对于大尺度水面光伏浮体阵列来说，由于内陆湖泊或小型水库波浪载荷的实际作用区域有限，风浪载荷对其破坏位置一般为小范围内的局部区域，见图7.为提高设计阶段光伏浮体阵列结构强度的计算效率，本文针对100 kW光伏浮体阵列最危险的三个典型区域进行强度校核, 波浪载荷是将水动力求解的一阶波浪速度势代入伯努利方程求得压力分布后,通过AQWA-WAVE模块以压力载荷的形式加载到有限元模型湿表面上，风载荷按照文献[5]的要求施加在光伏板壁面上.

图7 典型危险区域图

结构分析时使用的典型区域模型为4×4光伏浮体结构模型，见图8.根据典型区域的位置特点，分别对三种区域采用不同边界条件：①号区域限制A点耳板和B、C端的x，y，z方向位移；②号区域限制D、E、F端的x，y，z位移；③号区域四周刚性固定.采用ANSYS软件进行结构强度计算时，利用beam connection近似替代浮体与浮体之间的螺栓连接，有利于节省大量模型处理和计算分析的时间.

图8 4×4光伏浮体结构计算模型图

针对4×4光伏浮体组合结构，分别对三个典型区域展开六个危险波工况下的结构强度计算分析，风速方向与波浪入射方向保持一致.不同工况下的三个典型区域应力与位移计算结果见表3～5.

表3 ①号区域不同工况下浮体强度计算结果

表4 ②号区域不同工况下浮体强度计算结果

表5 ③号区域不同工况下浮体强度计算结果

对比各工况下不同区域的应力大小，可以确定①号区域为三种区域中最危险区域，这也是其处于100 kW光伏浮体阵列的边角位置决定的.由于0°方向风载荷在光伏浮体上的受风投影面积较小，故波浪载荷与风浪联合载荷作用下的应力、位移分布相差不大，以波浪载荷作用为主.工况3和工况4的风浪入射角为60°，主要考虑水平波浪弯矩与风载荷联合作用对浮体阵列结构的影响，从表中计算结果分析，①号区域和②号区域风载荷影响较大，③号区域由于处于阵列内部，结构较强，主要以局部动压力产生的应力集中为主.工况5和工况6 是垂向波浪弯矩和风载荷联合作用产生的最危险中垂工况，由于90°方向风载荷与各排光伏板受风投影面积达到最大，考虑风载荷作用后，三个区域位置处的光伏浮体阵列结构应力和变形显著增加，其中，①号区域工况6的应力和位移达到所有工况的最大值，分别为16.03 MPa和0.085 m，见图9.

图9 ①号区域工况6应力和位移图

在结构强度计算分析的基础上，本文探索了水面光伏浮体阵列在不同工况下的应力集中位置和结构破坏形式规律，发现处于迎浪边角位置的光伏浮体阵列区域结构最弱，阵列内发生应力集中的位置主要为耳板与主浮体连接处、连接浮体与主浮体搭接处和主浮体底板角隅处.图10为①号和②号区域工况6载荷下连接浮体与主浮体搭接处局部应力图.

图10 ①号和②号区域工况6应力和位移图

考虑到①号区域在工况6的风浪载荷下，光伏浮体阵列应力和位移变形较大，不利于光伏浮体正常作业，故针对边角区域光伏浮体实施辅助加强措施，使用长角钢和螺栓将浮体阵列左侧的耳板串联，以及将下侧的主浮体支撑平台串联，在减小浮体阵列的垂向位移变形的同时，将系泊力通过钢架结构均匀的传递到多个浮体结构上，有利于显著提高浮体阵列结构的安全性.表6为①号区域改良前后应力和位移的对比情况，图11为改良后浮体阵列的应力和位移图.

表6 ①号区域改良设计效果对比

图11 ①号区域改良方案应力和位移图

4 浮体阵列结构安全性评估流程

本文针对大尺度水面光伏浮体阵列结构的特殊性，结合内陆湖泊和水库风浪经验计算公式和设计波法，提出一种在缺乏内陆湖泊或水库风浪资料的情况下，适用于设计阶段的水面光伏浮体结构锚固强度及结构安全性评估流程，其路线图见图12.

图12 水面光伏浮体结构安全性评估方法流程图

5 结 论

1) 100 kW水面光伏浮体阵列锚固方案及结构强度满足设计要求，建议进一步加强耳板结构，提高耳板承载能力.

2) 由于内陆湖泊和水库波浪载荷的特殊性，大尺度水面光伏浮体阵列破坏位置多为迎浪处的局部边角区域，内部浮体区域较为安全.

3) 水面光伏浮体阵列内应力集中位置多发生在耳板与主浮体连接处、连接浮体与主浮体搭接处和主浮体底板角隅处.