近期，大连理工大学智慧海洋可再生能源开发创新团队的施伟教授等在 Sustainable Horizons 特刊 Sustainable Ocean Energies 发表研究文章，提出了一种新的模块化海上漂浮式光伏（Floating Photovoltaic, FPV）解决方案，并对多体 FPV 系统进行了数值建模和流体动力学耦合分析，以评估多体 FPV 模块在风浪条件下的相对行为。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.horiz.2023.100072
- 研究背景 -
随着海上漂浮式光伏（Floating Photovoltaic, FPV）系统领域的不断发展，如何可持续利用海上广泛而丰富的太阳能资源至关重要。
设计海上 FPV 平台最重要的设计考虑因素之一，是如何有效减轻波浪荷载和相关响应的影响。FPV 是一个在风、波、流等多物理场耦合作用下的复杂多体系统。因此，开发稳健的工程方法和模型来设计应用于海上环境的 FPV 系统具有极其重要的意义。迄今为止，对多体 FPV 平台的流体动力学性能进行的研究有限，成功的安装项目很少，这导致人们对多体海洋 FPV 在极端条件下的动态影响了解不足，限制了其在海洋环境中的商业发展。
本研究引入了半潜式海洋工程平台的概念，介绍了一种专门适用于海洋环境的 FPV 平台的新型模块化设计。该设计的独创性在于其对海洋条件的灵活性和适应性，增强了在海上环境中高效和可持续发电的潜力。
本文重点研究了多体 FPV 系统在极端海况和运行海况下的流体动力学和耦合效应，为其性能提供了有价值的见解，并有助于进一步优化。本研究有助于为多体 FPV 系统在海洋中的应用提供初步指导，特别是在没有模型测试的情况下。
- 结果与讨论 -
研究分析了铰接和固定连接边界下的 FPV 平台的响应差异。图一为运动响应和系泊张力的时间历程。
Fig. 1.FPV 系统运动响应及系泊张力时程
在铰接连接的情况下，FPV 平台的 Sway、Roll 和 Pitch 都具有不可忽略的动态响应，而固定连接的 FPV 平台没有明显的动态响应。研究团队认为，在铰接连接的情况下，FPV 系统在连接器处的垂直或旋转运动产生的额外力矩将作为外部激励负载影响模块，从而影响平台的动态响应。固定连接下 Pitch 方向响应较小是由于多个模块固定在一个巨大的平台中，并且恢复力矩显著增加。然而，这也意味着连接器将产生巨大的应力，增加断裂和损坏的危险。
对于系泊张力，即使系泊配置相同，铰接连接情况下系泊张力变化也大于固定连接。这是由于平台的垂直和旋转运动引起的连接器产生的附加弯矩进一步影响多体 FPV 系统的运动，更显著的模块运动导致具有铰接连接器的系泊系统提供更大的恢复刚度和系泊张力。铰链连接器对模型设计至关重要。因此，在随后的研究中对其进行了进一步的讨论。
研究团队观察了多体 FPV 各个模块在铰接连接条件下不同模块间的相互作用和响应规律（图二）。可以看出，不同模块之间的 Surge 运动响应没有明显差异，它们的运动仍然主要由系泊系统控制。对于 Heave 方向，由于铰接产生的额外力矩激励，中间模块响应较两侧模块更大。不同模块在 Pitch 方向运动随入射波能量减小而减小。出乎意料的是，在 Sway 方向上观察到模块的相对运动行为。这表明运动干扰发生在铰接连接的相邻模块中。综合分析，对于多体 FPV 平台在海洋中的应用应重点关注角模块，其在六自由度下的运动响应较大。
Fig. 2. FPV系统六自由度运动响应及功率谱图
合理的安装角度可以避免过度的运动响应，为进一步指导 FPV 系统应用，研究团队以 2×2 多体平台为例，探讨了多体平台的最佳安装角度（图三）。推荐多体 FPV 平台的安装角度应至少为 15°，或者应避免 0° 安装以降低运动响应。
Fig.3. FPV系统不同安装浪向下六自由度运动响应
- 总结与展望 -
研究团队对具有不同连接器边界条件的浮动光伏（FPV）多体平台进行了流体动力学分析，重点分析了铰接连接器引起的耦合动态响应。该研究结果有助于指导多体 FPV 平台在海洋工程中的应用。具体研究结论如下：
1. 由于连接器产生的额外力矩，在铰接连接下，Sway、Roll 和 Pitch 显示出不可忽略的动态响应，而固定连接没有显示出显著的动态响应。同时，铰接连接条件下系泊张力大于固定连接器的系泊张力。
2. 根据 3x3 FPV 平台的耦合分析，模块在铰接连接条件下 Sway、Heave、Roll 以及 Pitch 方向均发生相对运动行为。模块之间在Surge方向上的相互干扰最小。在海洋中应用多体 FPV 平台时，应注意模块 M1（角模块）。
3. 对于多体 FPV 系统，建议安装角度至少为 15°，并应避免 0° 安装，以减少运动响应和结构响应。
海洋 FPV 的商业化依赖于成本降低，并且需要对所提出的设计解决方案进行进一步优化。此外，可以进行流体动力学实验研究来验证数值研究。考虑到海洋环境中的连续波浪载荷，未来的研究还应侧重于稳健的连接器设计。
作者简介
Wei Shi is a professor of Deepwater Engineering Research Centre at Dalian University of Technology (DUT). He received PhD from POSTECH in Korea. His research interests include numerical modelling of offshore renewable energy system, wind turbine drivetrain dynamics, ice-structure interaction for offshore wind turbine.
Chaojun Yan is a Ph.D. student at Dalian University of Technology (DUT). He is interested in floating photovoltaic systems.
单位简介
大连理工大学（Dalian University of technology），是中华人民共和国教育部直属的全国重点大学，教育部与国家国防科技工业局共建高校，教育部、辽宁省、大连市共建高校，国家“双一流”建设高校，国家“985工程”、“211工程”建设高校
引用格式：Yan, C., Shi, W., Han, X., Li, X., Verma, A. 2023. Assessing the dynamic behavior of multiconnected offshore floating photovoltaic systems under combined wave-wind loads: A comprehensive numerical analysis. Sustainable Horizons, 8, 100072.
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