模块化绳网浮式太阳能平台水动力性能的实验研究及其在近海可再生能源开发中的应用

为解决陆地太阳能安装空间受限及近海/海上光伏(FPV)系统水动力稳定性问题，研究人员通过实验研究了模块化绳网(Rope Mesh)浮式太阳能平台在波浪条件下的水动力响应。研究评估了响应幅值算子(RAO)、系泊力等关键参数，发现该设计能有效适应多种海洋条件，为近海和离岸FPV系统优化提供了重要依据。

　　

随着全球能源危机和气候变化的加剧，可持续能源解决方案的需求日益迫切。太阳能作为一种清洁能源，其陆地安装面临土地资源稀缺的挑战。为此，浮式光伏(FPV)技术应运而生，它能够在水体表面部署太阳能板，不仅节约土地，还能利用水体的冷却效应提高发电效率。然而，从近岸到离岸环境，FPV系统需要面对越来越复杂的波浪、风和洋流条件，这对平台的水动力性能和结构稳定性提出了严峻挑战。特别是离岸FPV系统仍处于实验和开发阶段，亟需深入理解其水动力行为以确保运行安全和效率。

针对这一关键问题，克兰菲尔德大学(Cranfield University)的研究人员开展了一项创新性研究，对模块化绳网(Rope Mesh)浮式太阳能平台的水动力性能进行了系统的实验评估。这项研究发表在《Ocean》期刊上，为离岸可再生能源开发提供了重要参考。

研究人员采用了缩比模型实验方法，在克兰菲尔德大学的波浪水槽(长30m×宽1.5m)中测试了单体和2×2多体两种平台配置。通过精密控制的造波系统生成不同高度(4-10cm)和频率(0.6-1.0Hz)的规则波，使用超声波传感器测量垂荡(heave)运动，倾角仪记录纵摇(pitch)角度，并采用测力传感器监测系泊力。所有测试均遵循几何相似准则，缩尺比为1:9.33。

研究结果部分，首先在"4.1 波浪相互作用结果"中发现：

• 单体结构在波高H≥6cm(相当于H/F≥2.73，F为干舷高度)时会出现波浪漫顶(Level C)，而2×2多体结构即使在H=10cm条件下也能避免严重漫顶
• 多体结构的柔性连接能有效分散波浪能量，降低单个模块的载荷

"4.2 纵摇RAO结果"显示：

• 单体结构在λ/L≈6(λ为波长，L为结构长度)时出现纵摇响应峰值，RAO_Pitch最高达1.047
• 多体结构的第一排模块RAO_Pitch峰值(1.305)显著高于第二排(1.111)，表明前排模块起到了消波作用

"4.3 垂荡RAO结果"表明：

• 单体结构的垂荡响应随波高增加而减弱，RAO_Heave从H=4cm时的0.93降至H=7cm时的0.827
• 多体结构的垂荡响应更均匀，两排模块的RAO_Heave差异小于15%

"4.4 系泊力结果"揭示：

• 后系泊力普遍大于前系泊力，在H=7cm时达到0.705N(单体)和0.648N(多体)
• 这种不对称分布源于绳网结构的柔性连接和波浪能量的累积传播

在结论部分，研究强调了模块化绳网设计的三大优势：

1. 通过多体互联实现载荷共享，降低单个模块的动态响应
2. 柔性连接能适应波浪运动，减少结构疲劳风险
3. 模块化设计便于扩展和维护，适合大规模部署

这项研究不仅为离岸FPV系统设计提供了实验依据，其创新的近零干扰(near-zero-impact)测试系统也为后续海洋结构物水动力研究建立了方法学参考。特别是关于波浪-光伏板相互作用的分级评估(Level A-C)，为工程实践中的风险防控提供了量化标准。未来研究可进一步探索不规则波条件下的平台响应，以及不同倾角的太阳能板对水动力性能的影响。