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发布于 2026-05-19 / 0 阅读
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【海洋可再生能源专刊】| 海上漂浮式光伏综合平台运动及结构响应试验研究

论文导读与观点概要


1. 研究目的

海上漂浮式光伏(FPV)系统虽具发展潜力,但其由浮体与金属支架构成的“刚柔耦合”特性在复杂海洋环境下面临结构破坏风险。现有研究多将其简化为刚体,忽略了水弹性响应。本文旨在通过物理模型试验,深入探究一种新型海上漂浮式光伏综合平台(OFPV-X)在规则波作用下的运动及结构响应特性。重点分析波浪激励频率、连接器类型(刚性/铰接)对平台运动的影响,并识别光伏支架及甲板的应力分布特征与薄弱环节,以确定最优连接方案,为工程设计提供基准数据。

2. 研究方法

本文采用物理模型试验时频域分析相结合的方法:

模型构建:基于弗劳德相似准则(缩尺比1:40),构建了尺寸为0.968 m×0.686 m的单体及双体平台模型。模型包含HDPE浮筒、甲板及铝合金光伏支架,模拟了刚柔耦合结构特性。
连接方案:双体平台设计了三种连接器方案进行对比——铰链连接4个刚性连接器(RC4)6个刚性连接器(RC6)
数据采集:在波浪水槽中开展规则波试验(波高0.04 m/0.07 m)。利用光学运动定位系统捕捉六自由度运动,并在支架与甲板布置33个应变片测点,实时监测结构应力应变。

3. 主要结果

🌊 运动响应特性

非线性激发:波浪砰击与甲板上浪导致平台激发出复杂的水弹性响应,频谱中出现明显的高阶谐波成分。
共振与衰减:当波浪周期T=1.5 s(约为平台水线长度2倍)时,纵摇响应达到峰值;当T<1.0 s时,甲板上浪加剧,导致垂荡响应急剧下降。
连接器影响铰接平台的垂荡响应显著大于刚接平台;RC4平台与RC6平台的运动响应相当,且均优于单体平台的随波性。

📉 结构应力与薄弱点

单体结构:前中部模块(A、B模块)的支架上纵梁应力显著大于下纵梁,且随频率增加而上升。甲板横向应力在首尾两端显著,最大值达纵向应力的53%
双体结构:高应力区域主要分布在迎浪侧平台,尤其是连接器附近。
最优方案RC4平台在结构安全性上表现最佳,其最大应力值相较于铰接平台和RC6平台分别降低了34.2%41.6%

4. 结论

失效机制:波浪砰击和甲板上浪是诱发平台水弹性响应和局部振动的主要原因,设计时需考虑增加支座高度以改善气隙。
构型优选RC4方案(4个刚性连接器)在保证平台稳定性(低垂荡响应)的同时,有效分散了应力集中,是双体连接的相对最优方案。
设计建议:需重点关注平台前中部支架上纵梁连接器附近区域的结构强度,特别是横向应力的影响不可忽视。


💡 推广语

这篇文章通过精细的物理模型试验,揭开了海上光伏平台“刚柔耦合”结构的神秘面纱。研究发现,4个刚性连接器(RC4)方案是平衡稳定性与结构安全的“黄金组合”,能显著降低应力集中风险。对于致力于海上光伏电站设计与建设的工程师而言,这是一份识别结构薄弱点、优化连接方案的权威实验指南。


相关图表











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本文引用格式:吴厚仪, 刘必劲, 傅丹娟, 等. 海上漂浮式光伏综合平台运动及结构响应试验研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(2): 175-189.  (WU Houyi, LIU Bijin, FU Danjuan, et al. Experimental study on the motion and structural response of offshore floating photovoltaic integrated platform[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(2): 175-189.  (in Chinese))


通信作者简介:刘必劲   



刘必劲,福建福州人,博士,浙江大学教授,国家级海域使用论证评审专家、国家生态恢复岸线认定专家组成员、国家海洋咨询专家库成员、自然资源部东海局海底电缆管道路由评审专家、福建省海洋生态环境保护及治理专家、福建省海域使用管理专家、海南省科技专家、三亚市知识产权保护中心首批专利导航专家。主要研究方向为海洋生态环境保护技术与装备、海洋工程水动力及海域管理技术研究等。主持省部级专项6项,其它横向20余项。发表学术论文50余篇,其中SCIEI 20篇,授权发明专利19项,已实现科技成果转化460余万元,参与国家标准编制1项。


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