多模块浮式光伏阵列动态响应与水力特性的实验与数值研究

针对海上大规模浮式光伏(FPV)阵列的多体耦合动力学问题，研究团队通过模型实验与数值模拟相结合的方法，系统分析了双模块FPV阵列在规则波/不规则波下的运动响应、连接器载荷(J1-J12)及系泊张力(C1-C12)，验证了基于多体时域运动方程的全耦合模型有效性，并创新提出六模块0.75 MW莲花状阵列。研究发现120°浪向时连接器载荷最大，90°浪向时系泊张力峰值出现，为兆瓦级FPV阵列工程应用提供了关键设计依据。

　　

随着全球能源转型加速，海上浮式光伏(FPV)因其节约土地、发电效率高等优势成为研究热点。然而，当前研究多集中于单模块平台，对兆瓦级多模块阵列的耦合动力学特性认知不足，特别是模块间连接器(hydrodynamic connector)的载荷机制、系泊系统(mooring system)与多体干涉效应等关键问题亟待解决。荷兰Oceans of Energy等机构虽已开展10米浪高环境下的FPV示范项目，但学术界对多模块FPV的动态响应(dynamic response)仍缺乏系统性研究。

为攻克这些难题，中国某研究团队在《Ocean Engineering》发表最新成果。研究首先设计双层三角形光伏支撑结构，通过自由衰减实验(free decay test)获取2.8秒垂荡(heave)固有周期等参数；继而建立双模块FPV阵列的全耦合时域模型(fully coupled time-domain model)，采用三维势流理论(3D potential flow theory)计算多体水力相互作用，并与规则波/不规则波条件下的水槽实验数据对比验证。创新性提出六模块0.75 MW莲花状阵列(lotus-shaped arrangement)，通过刚性模块柔性连接(RMFC)模型分析12组连接器(J1-J12)和12根系泊缆(C1-C12)的极限载荷。

关键技术包括：1）基于多体动力学(multi-body dynamics)的时域耦合分析；2）采用截止半径(cutoff radius)的Rankine源法计算辐射水力系数；3）结合CFD与欧拉-伯努利梁(Euler Bernoulli-von Karman beams)模拟非线性流固耦合；4）通过断裂工况(broken-line conditions)评估系泊失效影响。

主要发现：

1. 自由衰减实验：单模块FPV垂荡固有频率0.36 Hz，与数值模拟误差<5%，验证了模型可靠性。
2. 双模块动态响应：连接器纵向载荷(longitudinal load)显著大于垂向载荷，共振峰值可通过增加连接器阻尼降低30%。
3. 六模块阵列分析：120°浪向时J6连接器载荷达峰值189 kN，系泊失效工况下剩余缆绳张力翻倍至完好状态的2倍。
4. 系泊失效影响：模块运动响应变化<7%，但90°浪向时C3系泊张力骤增至设计值的210%。

结论与意义：
该研究首次通过实验-模拟双验证揭示了多模块FPV阵列的耦合动力学规律：1）连接器载荷具有显著方向依赖性，为RMFC模型优化提供依据；2）系泊系统冗余设计对阵列稳定性至关重要；3）提出的莲花状布局可降低15%波浪干涉效应。研究成果被国家重点研发计划(2023YFB3711500)采纳，直接支撑我国首座百兆瓦级东海FPV电站建设，为《可再生能源发展"十四五"规划》目标实现提供关键技术支撑。Wentao He团队指出，后续需开展20模块级超大规模阵列的群耦效应研究，以应对GW级海上光伏的工程挑战。