拖航过程中星型漂浮光伏系统的水动力响应与结构分析

《Marine Structures》：Hydrodynamic response and structural analysis of a star-type floating photovoltaic system during towing operations

　　

本文提出了以下主要贡献：
- 提出了一种多物理场耦合的流体动力学-结构分析方法，并验证了其可靠性。
- 建立了"实验+数值模拟+原型监测"三位一体的交叉验证系统。
- 揭示了多参数相互作用对漂浮式光伏系统运动响应和结构应力的影响。
- 明确了星型光伏结构的安全拖航条件和关键控制参数。
- 提出了一种优化的漂浮光伏系统拖航控制策略。

引言

全球能源供应脱碳的紧迫性正以加速之势不断增强。推动可再生能源的发展是推动能源革命、建立清洁、低碳、安全、高效能源体系的关键举措[1]。图1展示了国际可再生能源署（IRENA）统计的21世纪以来能源增长数据[2]。可以观察到，过去十年间太阳能光伏和风能发展迅速，其中太阳能光伏增长势头最为强劲，而传统化石燃料的增长则有所放缓。目前，人口密度较高的地区面临巨大的土地需求。在水面上部署漂浮式光伏阵列是应对这一挑战的可行方案，预计未来十年全球范围内其采用量将显著增加[3]。据估计，全球漂浮式光伏系统的潜力范围为3.0至7.6 TW[4]。因此，开发海上漂浮式光伏电站存在巨大的需求[5,6]。

鉴于沿海和岛屿地区日益增长的用电需求，相关努力正将该技术向海洋环境拓展[[7], [8], [9]]。然而，要实现工程应用，亟需确定一种适用于大规模部署的合适结构构型。Ghonim和Al-Yacouby[10]研究了漂浮式光伏系统在环境载荷下的水动力响应，并通过流固耦合分析讨论了支撑结构的设计。Jifaturrohman等人[11]考察了漂浮式光伏结构的船体构型及其耐波性能，探讨了不同结构设计对系统性能的影响。学者们对各类结构类型在能量利用效率和水动力性能方面的优缺点进行了详细分析[[12], [13], [14], [15], [16]]，并识别了各自的适用性和局限性。迄今为止，相关研究主要集中在漂浮式海上光伏结构的水动力性能分析、设计优化和可再生能源综合利用方面。然而，关于漂浮式光伏实际应用场景及其环境影响的研究仍较为有限；针对海洋环境中复杂风、浪、流条件对漂浮式光伏功能和可靠性的长期影响，缺乏深入研究。此外，现有研究尚不足以提供针对极端海洋条件及其对漂浮光伏结构稳定性潜在影响的综合解决方案或应对措施。

同时，施工阶段的可靠性对于漂浮式光伏结构的大规模应用至关重要。对于缺乏自航能力的大型漂浮体，需要通过拖航将其运输到指定的安装位置。此外，还需评估这些操作过程中的结构应力，以验证整体结构完整性。迄今为止，国际上已积累了丰富的拖航漂浮结构经验，众多学者和研究机构对拖航大型漂浮体的相关挑战进行了研究。例如，Le等人[[17], [18], [19], [20], [21]]分析了控制和运动特性以确保拖航过程中的稳定性，并进一步讨论了拖航方法、海洋环境约束下的航线优化以及维护策略，强调了效率、安全与环境因素在提高漂浮结构可行性和可靠性方面的重要性。尽管针对漂浮体拖航的运动控制和航线优化已进行了系统研究，但其研究对象均为常规船型结构，未涉及FPV特有的大型开放漂浮体构型。然而，现有研究缺乏针对变化海洋条件下漂浮式光伏结构拖航系统可行性的全面研究，也缺乏对拖航过程中结构应力特征的深入探讨。这些空白代表了亟待解决的关键问题。

在数值方法方面，当前漂浮光伏系统的水动力分析主要包括三种途径：基于势流理论的板条方法（边界元方法，BEM）、计算流体力学（CFD）方法和耦合分析方法。Ou等人[22]采用CFD方法对由浮筒组成的FPV阵列进行了系统的耐波性分析。该CFD模型通过物理波浪水池实验进行了验证，准确捕捉了不同波长下双体和驳船船体的复杂尾流场和波浪面变化。Lindholm等人[23]对市场上主流的高密度聚乙烯浮筒型FPV系统进行了CFD数值模拟，研究了光伏板的热耗散机制和微气候，涉及空气/水与实体壁面之间的热传导、热对流和热辐射。Joseph等人[24]在CFD求解器中开发了一种创新的"源项和汇项"方法，量化了光伏板对太阳辐射、红外辐射、风速和湍流的拦截和改造效应，为后续评估光伏板对水面的影响提供了强有力的数值工具。尽管上述研究能够全面捕捉流体黏性、湍流和自由面变形，但受限于巨大的计算资源需求，难以高效开展多参数计算分析。它们未能系统考虑风、浪、流多参数联合作用对漂浮体运动和结构响应的耦合效应，尤其缺乏在多海况条件下的综合评估。目前，基于海洋工程软件的多样本场势流分析可以弥补上述研究的局限性。学者们[[25], [26], [27]]通常采用此类方法对大型漂浮结构进行研究，或在实验尺度上进行验证[28,29]。Jin等人[30]验证了势流理论在FPV多浮体阵列快速评估中的适用性，但该框架仅限于系泊条件，未扩展至拖航等强非线性瞬态条件。Li等人[31]基于势流理论和Morison方程研究了FPV阵列在不同类型畸形波下的动态响应和水动力特性，但缺乏对不同海况下结构运动响应影响的分析。Xiao等人[27]使用复合材料对半潜式FPV平台进行了流体动力学-结构分析，发现在正常和极端海况下，漂浮结构的最大应力区域出现在连接节点处，但缺乏拖航操作中复合环境载荷下结构的验证。Nair等人[32]同样为2×2阵列漂浮式光伏组合设置了弹簧柔性连接，研究了横向和纵向漂浮体之间连接结构的承载特性。尽管当前研究已形成基于传统流体动力学-结构耦合研究的方法体系，但针对实际海洋环境中大型光伏漂浮体拖航条件尚无集成的"数值模型+物理实验+海试监测"验证系统。

在前人研究基础上，本研究组提出了一种新型星型光伏结构[29,33]，其特征为浅吃水、良好的稳定性和材料利用率。与依赖相对刚性结构的典型浮筒型系统或受深吃水限制的半潜式系统[34,35]不同，星型构型对各种海洋条件具有更强的适应性。星型设计的标准化模块允许快速扩展，且安装成本低于半潜式和混合系统[36]。开放式结构还增强了水体交换，减少了局部温升[37,38]。与纯CFD方法相比，本研究采用势流理论框架，能够在确保非线性精度的同时有效提高计算效率。本研究还将该方法扩展至复杂的拖航瞬态条件，并对大型漂浮结构的多桁架几何特征进行结构校核。这不仅丰富了星型FPV在拖航条件下流体动力学-结构耦合分析的应用方法，还通过频域和时域物理实验以及海试监测数据系统验证了数值模型，确保了预测结果的工程可信度。海试已开展，并将在原型试验结果的基础上进行进一步优化，以期尽快实现大规模应用。

针对复杂海洋环境中的拖航施工挑战，为漂浮式光伏的大规模应用和推广提供指导，本研究在风、浪、流联合条件下对一种新型星型漂浮式海上光伏结构进行了拖航可行性研究。研究主要采用势流理论，运用时域水动力载荷映射方法建立了多物理场交互下流体动力学-结构耦合的分析框架。该框架结合了详细的验证方法："数值模型、物理实验和海试监测"，全面评估了星型漂浮式光伏的拖航安全运行极限和整体结构可靠性。该方法在计算精度与效率之间取得了平衡。第2节阐述了漂浮结构在各类环境参数下的载荷理论、运动及应力响应。随后，第3节通过频域和时域物理试验以及海试监测数据验证了漂浮式光伏结构数值模拟系统的可靠性。然后，第4节对多海况下漂浮体的运动响应和结构应力进行了耦合分析，为不同要求的拖航作业提供了指导。最后，第5节对整个研究进行了总结。

论文片段

漂浮结构的数值模拟系统

漂浮式光伏结构最初通过滑道下水方式下水以实现浮态，之后由拖船拖航至作业现场。图2提供了星型漂浮式光伏结构的工程示范示意图，展示了下水和在役安装的过程。整体漂浮运输采用图4所示的方法，即在船首沿拖航方向部署一艘主拖船，并一

尺度模型试验参数和系统

在示范拖航项目中，由于海况条件的限制，难以对多种联合工况进行拖航水动力验证。然而，材料力学性能可以实现1:1保真。因此，第3.1节主要展示了水池试验中获得的RAO和拖航阻力的对比，试验分别采用规则波和不规则JONSWAP波进行。在模型尺度上，弹性相似

拖航过程中的水动力性能

本节对漂浮结构的固有水动力特性进行了详细的计算评估，分析了稳定性行为和运动响应。同时，拖航过程中拖缆力的变化是一个关键评估因素。研究旨在确定兼顾拖航效率与作业安全性的可航海况和拖航速度。

结论与未来工作建议

本研究调查了一种新型星型漂浮式海上光伏结构的拖航性能。采用势流理论分析了结构在典型海况下的稳定性和适用拖航范围，并考察了复杂多物理场耦合下的结构应力特征，验证了拖航可靠性。通过与物理模型试验和海试交叉验证，该模拟系统表现出强一致性和高精度。

CRediT作者贡献声明

Yang Yuhang：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿撰写，软件，正式分析。Wang Haijun：撰写—审阅与编辑，监督，方法论，概念构思。Tang Cheng：验证，项目管理。Sun Jie：验证，项目管理。Peng Yuehuan：正式分析，数据整理。Lian Jijian：资源，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作由国家重点研发计划（编号：2022YFB4200705）资助。

Yang Yuhang | Wang Haijun | Tang Cheng | Sun Jie | Peng Yuehuan | Lian Jijian