风 - 光 - 养殖一体化漂浮结构水动力特性的数值研究

《Marine Structures》：Numerical investigation on the hydrodynamic behaviour of a wind-solar-aquaculture integrated floating structure

　　

# 一种集风力涡轮机、光伏与养殖网箱于一体的综合浮动结构

**研究要点：**
- 设计了一种将风力涡轮机、光伏与养殖网箱相结合的综合性浮动结构。
- 分析了阻力、网衣透流率和光伏组件对结构运动及系泊索载荷的影响。
- 结构构型的改变主要影响运动的低频响应。
- 在额定风速下，结构构型的改变对发电量的影响较为有限。

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## 引言

近年来，全球气候变暖加剧和能源危机促使能源结构转型加速，人类社会对可持续发展的追求日益迫切[1,2]。与此同时，全球人口持续增长和资源需求不断增加，对传统陆上资源开发提出了双重挑战：一是空间可用性有限，二是生态环境压力加剧。在能源短缺与生态约束并存的背景下，全球对可再生能源和可持续食品供给的需求愈发紧迫，推动人类将目光投向广袤的海洋空间。在此背景下，海上风电、海上光伏和深海养殖这三个原本独立的领域均取得了显著进展。

经过数十年的发展，海上风电的固定式基础（如单桩基础和导管架基础）已在浅水至中等水深海域实现大规模商业化应用[3,4]。为获取更优质、更稳定的风能资源，产学研各方正积极向深海区域拓展，漂浮式风力发电技术成为关键研究焦点。多种漂浮式基础概念，如半潜式、张力腿平台型和立柱型等，已从概念设计阶段推进至示范应用阶段[5]。漂浮式基础为在更深水域构建综合系统提供了必要的平台和结构支撑。作为陆上光伏系统的延伸，海上漂浮式光伏系统近年来引起了广泛关注。其技术发展主要借鉴内陆水域的漂浮式光伏技术；然而，在严酷的海洋环境下，对浮动结构、系泊系统和防腐性能提出了更高要求[6,7]。目前，全球已建成多个漂浮式光伏项目，如中国的"黄海一号"和国家电投深远海漂浮式光伏项目，海上漂浮式光伏系统已证明了其技术可行性[8]。与海上风电相比，海上光伏系统具有建设周期短、运维相对简便以及与风电互补等优势，是综合系统中的理想配套能源[9,10]。随着近海养殖空间日益饱和、环境压力不断加剧，水产养殖业正不断向深海、远海拓展。深海养殖装备已从传统网箱演变为大型化、智能化系统，例如中国的"国信1号"养殖工船、"深蓝"系列以及挪威的"海洋牧场1号"。然而，深海养殖的发展也面临若干挑战，如深远海地区能源供应困难，制约了自动投喂、监测和环境感知等自动化设备的运行；在恶劣海况下，确保网箱结构安全和鱼类福利难度较大；同时，独立供能和运维成本仍然较高[11]。

传统单一开发模式面临海洋空间资源竞争、投资成本高企以及环境累积影响等挑战。相比之下，综合开发有望降低各单体结构的建设和维护成本，从而提升经济效益，推动绿色低碳发展。近年来，许多学者提出了多种海洋资源综合开发的集成结构方案。Zhu等人[12]基于线性势流理论、本征函数匹配法和区域分解法，建立了漂浮式海上风电机组与漂浮式光伏系统共址场的耦合动力响应模型。他们的研究分析了平台参数和铰接系统对水动力特性的影响，展示了漂浮平台上风能与太阳能协同利用的潜力。Denis等人[13]研究了海上风电场内漂浮式光伏系统的水动力影响，评估了其对四个关键水动力参数的影响：流速场变化、遮蔽导致的表面辐照度降低、底部剪切应力以及湍流动能的产生。Ali等人[10]综述了海上风电与漂浮式光伏系统协同开发的最新研究进展，涵盖资源互补性、结构设计、选址及经济性分析等方面。Leng等人[14]进行了1:50比例尺的波流太阳能混合能源系统水槽试验，揭示了其非线性耦合机制，为综合浮动能源系统的应用提供了可行的方法途径。Khurshid等人[15]总结并回顾了风能、太阳能和波浪能综合系统的历史发展，展望了未来海洋多源可再生能源综合的技术趋势与进展。Xie等人[16]对渔业-光伏综合系统进行了物理模型试验，分析了网衣透流率、网衣深度和配重对结构安全性、发电性能和养殖效率的影响。结果表明，较高的网衣透流率、较大的网衣深度和较轻的配重显著降低了养殖的有效容量；同时，辐照度波动随网衣透流率、网衣深度和配重的增加而显著减小。Zhai等人[17]提出了一种驳船式风电-养殖综合结构，并分析了其在典型环境条件及系泊线失效工况下的二阶水动力响应。Zhang等人[18,19]在导管架基础内安装了悬挂式网箱，并引入穿透模型以考虑网衣与导管架结构之间的相互作用，分析了网衣透流率、底环重量和波浪-流条件对网衣与导管架接触的影响。结果表明，网衣透流率的变化不会改变网箱的不平衡流速，而底环重量的变化则会引起不平衡流速的改变。Cao等人[20]进行了1:40比例尺的池内试验，系统研究了半潜式风电平台与网箱在风、浪、流联合作用下的耦合动力响应。Lei等人[21]提出了一种将漂浮式风电机组与钢制养殖网箱结合的综合结构（FOWT-SFFC）。物理模型试验表明，网箱的存在增加了结构六自由度运动的阻尼。Bi等人[22]在漂浮式风电平台下方悬挂网箱以形成封闭养殖空间，并通过物理模型试验分析了该综合结构的水动力特性。Zheng等人[23]提出并分析了一种新型漂浮式风-光-养综合系统，该系统由垂直轴风力涡轮机、光伏板和钢制养殖网箱组成。他们开发了一个全耦合仿真程序包并通过实验进行了验证，从空气动力学、水动力学和结构动力学的角度研究了综合结构在各种环境条件下的随机响应。

为充分利用海洋空间并降低产业成本，本研究提出了一种创新性的"风-光-养"综合开发模式，将海上风力涡轮机、海上光伏组件和深海养殖设施在同一海域内一体化布置。该综合能源-食品生产系统旨在实现海洋空间、基础设施及运维资源的集约化利用，同时通过协同效应最大化经济与环境效益[24]。它实现了水上清洁能源风电、水面光伏电和水下绿色水产品的协同发展与综合利用。这一"风-光-养"综合模式不仅体现了多能互补与协同增效的理念，也是推动海洋产业从单一功能利用向多功能综合开发转型的重要途径。它可以显著提升单位海域面积的整体产出效率，实现能源生产与水产养殖的协调共存。

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## 分节摘要

### 理论与方法

本研究的核心目标是确定"AquaEnergy"浮动综合结构在风、浪、流联合作用下的水动力响应。理论框架以浮动平台的刚体运动控制方程为核心，描述其在多种交互力作用下的动力学行为。首先，对于细长杆状结构，采用Morison方程计算作用在上面的粘性水动力载荷。

### 模型描述

AquaEnergy综合平台的整体结构如图4所示。该系统主要由五个部分组成，从上到下依次为：风力涡轮机系统、光伏系统、浮动平台、网衣系统和系泊系统。风力涡轮机通过塔筒固定在浮动平台上，利用风能发电。光伏组件布置在平台上方以捕获太阳能发电。浮动平台……

### 数值方法的子模型验证

鉴于"AquaEnergy"综合平台的复杂性，目前尚无完整系统的物理模型试验数据可用。因此，本节采用的验证策略是将整体系统分解为若干关键机械子模型和数值方法模块，分别进行校准和验证。具体而言，第4.1节检验风力涡轮机气动-控制子模型的正确性；第4.2节验证……的实现精度。

### 结果与讨论

本研究中，波浪-结构相互作用基于势流理论计算。然而，势流理论未考虑板模型中的粘性效应。为纳入粘性效应，采用Morison模型重新建立了板模型。具体而言，Morison模型中的直径缩小为原来的1/1000，同时水动力系数相应增大1000倍。这种方法有效地忽略了Morison方程中的惯性力项……

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## 结论

本研究提出了一种创新的风-光-养综合结构"AquaEnergy"，并进一步研究了阻力、网衣和光伏系统对风-光-养综合平台水动力响应的影响。旨在为综合结构的设计与优化提供参考，并为海洋产业多元化协调发展提供新的思路。结论如下：

**(i) 阻力的增加导致……**

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## CRediT作者贡献声明

张元茂：原创草案撰写、可视化、验证、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。
毕春伟：审阅与编辑、指导、项目管理、方法论、经费获取。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究获得国家自然科学基金（编号：32473215）、山东省自然科学基金（编号：ZR2025QA23）、山东省泰山学者计划（编号：tsqn202312091）以及中央高校基本科研业务费（编号：202661023）的资助。

**张元茂 | 毕春伟**