双浮筒系泊式海上漂浮光伏系统水动力性能与发电效率的实验研究

本研究针对海上漂浮光伏(OFPV)系统在波浪环境下的稳定性与发电效率问题，通过实验探究双浮筒构型(DOFPV)的水动力响应特性。研究发现相对宽度(W/L)显著影响系统运动响应，非张紧系泊时横荡响应幅值算子(RAOSway)与宽度呈负相关，而横摇RAORoll呈正相关；发电效率受波浪影响极小，系泊力随波陡增大而增强。成果为DOFPV系统设计提供了关键理论支撑。

　　

随着全球能源转型加速，海上漂浮光伏(OFPV)技术因其不占用陆地资源、冷却效率高等优势成为研究热点。然而，严苛的海洋环境对系统稳定性提出挑战——波浪作用会导致光伏板角度偏移，引发发电效率损失(可达14.6%)，而传统单浮筒结构在波浪中的运动响应剧烈。更棘手的是，现有研究多聚焦单浮筒构型，对具有更好稳定性的双浮筒系泊式(DOFPV)系统缺乏系统性认知，特别是波浪参数与结构尺寸的耦合效应对水动力性能的影响机制尚不明确。

海南大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，通过物理模型实验首次揭示了DOFPV系统的动态响应规律。研究发现，当相对宽度W/L超过0.25时，垂荡响应幅值算子(RAO_Heave)出现显著衰减；特别值得注意的是，在非张紧系泊状态下，横荡RAO_Sway与宽度呈反比，而横摇RAO_Roll却呈现正相关。更令人振奋的是，尽管波浪导致结构运动，但发电效率几乎不受影响，展现出卓越的稳定性。这些发现为优化海上光伏阵列布局提供了关键设计参数。

研究采用50米波浪水槽实验，通过伺服电机造波系统模拟不同波陡(H/L)和周期的波浪条件，利用运动捕捉系统记录三自由度(横荡、垂荡、横摇)运动轨迹，并同步监测系泊缆张力谱和发电输出。实验特别设计了五组不同相对宽度(0.15-0.35)的DOFPV模型，采用自由衰减试验测定固有周期。

【运动响应】自由衰减试验表明，DOFPV的横摇固有周期最长(1.82秒)。当W/L从0.15增至0.35时，RAO_Sway降低42%，而RAO_Roll增加67%，这种相反的变化趋势源于双浮筒构型特有的惯性耦合效应。值得注意的是，RAO_Heave在W/L≤0.25时保持稳定，超过该阈值后出现明显衰减。

【发电效率】与传统认知不同，即使在大波陡(H/L=0.04)条件下，发电效率损失也不超过1.5%。进一步分析发现，双浮筒构型的自稳定特性有效补偿了波浪引起的角度偏移，这种"运动-效率解耦"现象为实际工程应用提供了重要保障。

【系泊张力】研究发现张紧系泊状态下，缆力随W/L增大而减小，但随波陡增加线性上升。频谱分析揭示迎浪侧缆力存在显著二阶分量，这是由波浪非线性效应引起的，该发现对系泊系统疲劳寿命评估具有指导意义。

这项研究不仅阐明了DOFPV系统"结构参数-水动力响应-发电性能"的映射关系，更突破性地证实了双浮筒构型在海洋环境中的独特优势。特别是发现相对宽度0.25是垂荡响应发生突变的临界值，为工程设计中尺寸优化提供了明确阈值。研究提出的"非对称响应规律"(横荡与横摇RAO的相反变化趋势)深化了对多浮筒耦合系统的认知，而发电效率的稳定性结论则直接解决了行业对波浪影响发电量的担忧。这些成果为我国在南海等复杂海况区域大规模部署OFPV电站提供了关键技术支撑，对推动海洋可再生能源多元化发展具有战略意义。