漂浮式水上光伏電站對湖庫風生流作用機理的研究

吳慕丹，袁 萬

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，南京 211102)

0 引言

由于陸上光伏電站的建設需占用大量的土地資源，但土地資源日益緊缺、土地成本日益增加，于是利用水域面積來建設水上光伏電站成為一種趨勢。我國幅員遼闊，天然湖泊、人工湖泊和水庫等水體資源眾多，目前國內的漂浮式水上光伏電站主要建設在塌陷區(qū)或水庫上；而國外已有在河流上建設的水上光伏發(fā)電項目，有的國家甚至嘗試在出?？谒蜻M行水上光伏電站的建設，比如韓國。在當前的發(fā)展趨勢下，合理利用水域面積開展水上光伏電站的建設具有一定的發(fā)展前景，值得深入研究[1-2]。

由于在水域內風場的作用下，湖泊和水庫(下文簡稱為“湖庫”)往往會產生風生流，顯著改變湖庫垂直方向和表面的水流分布規(guī)律。許旭峰等[3]的研究表明：太湖風生流的形成主要是由風場、湖泊邊界及湖底地形決定的，研究得到了太湖不同區(qū)域的水動力特征和流動規(guī)律，揭示了太湖不同區(qū)域流場產生差異的原因。韓龍喜等[4]以我國西北地區(qū)的咸水湖艾比湖為例，建立了三維水動力計算模型，選取典型風場，分析了風力作用下高鹽度湖泊的風生流形成特性及風生流水動力參數(shù)的三維空間分布規(guī)律。烏景秀等[5]基于水動力計算模型，建立了淺水湖泊的二維風生流數(shù)學模型，通過控制單一變量，綜合分析了風向、地形、補水流量等主要影響淺水湖泊風生流的因素。張華杰[6]分析了湖底形態(tài)、湖岸邊界形狀、湖泊表面風應力、湖泊初始水位、湖心島等因素對湖泊穩(wěn)定流場的建立時間、水深分布、流速分布等方面的影響。喬會婷[7]通過二維數(shù)值模擬，分析了植被對太湖風生流水動力特性的作用機制。通過分析上述文獻可以發(fā)現(xiàn)，針對湖庫的風生流影響因素，大部分文獻都是從風向、地形等因素出發(fā)進行分析，只有文獻[7]的分析涉及到了湖泊表面被植被覆蓋會影響其風生流機理；然而目前尚無針對漂浮式水上光伏電站建設后對湖庫風生流影響的研究成果。

綜上，針對漂浮式水上光伏電站對湖庫的風生流作用機理，本文以我國東北地區(qū)的某中型水庫為例進行了研究。該水庫上建設了一座漂浮式水上光伏電站，通過三維水動力數(shù)值模型揭示漂浮式水上光伏電站建設后，在風力作用下水庫的水流運動規(guī)律，解析漂浮式水上光伏電站對湖庫風生流的作用機理及效果。

1 研究區(qū)域概況

本研究以黑龍江省哈爾濱市巴彥縣紅光鄉(xiāng)的豐農水庫作為研究對象，該水庫為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級建筑物。豐農水庫設計的防洪標準為20年一遇洪水，洪水位為146.32 m，防洪庫容為2.515×107m3；以100年一遇洪水校核，校核的洪水位為147.22 m；死水位為 144.30 m，相應的死庫容為3.93×106m3；汛限水位采用正常蓄水位，為145.00 m；興利庫容為4.87×106m3；多年平均凈調節(jié)水量為 4.113×106m3。

漂浮式水上光伏電站占用的水庫水面面積約為2400畝(1畝≈666.67 m2)，電站的東西最大跨度約為1371 m，南北最大跨度約為1166 m。該水上光伏電站的總規(guī)劃裝機容量為50 MWp，包括197400塊255 Wp的多晶硅光伏組件，20年的理論年均發(fā)電量約為 5921.4萬kWh。水庫上漂浮式水上光伏電站的布置情況如圖1所示。

圖1 水庫上漂浮式水上光伏電站的布置情況Fig. 1 Layout of floating water PV power station on the reservoir

2 三維水動力數(shù)值模型

2.1 模型求解方式

本文的三維水動力數(shù)值模型是基于三維、垂向靜壓力、紊動平均、自由表面的動量方程建立的。模型建立時使用的輸運方程考慮了湍流動能和湍流長度。在保證遵循質量守恒定律的前提下，在淺水區(qū)域，該模型采用干濕網格法進行計算[7]。

本文建立的三維水動力數(shù)值模型，在水平輸運方向上采用Blumberg-Mellor的中心差分格式和正定的迎風差分格式。模型求解時，空間上采用隱式格式，水平擴散方程在時間上采用顯示格式。

2.2 三維水動力數(shù)值模型坐標系的建立

為更好地反映淺水區(qū)域地形對流場的影響，本文模型的水平方向采用正交曲線坐標系和笛卡爾坐標系，垂直方向采用σ坐標系。三維水動力數(shù)值模型的坐標系如圖2所示。

圖2 三維水動力數(shù)值模型的坐標系Fig. 2 Coordinate system of 3D hydrodynamic numerical model

2.3 控制方程

基于Boussinesq假設和準靜力假定，三維水動力數(shù)值模型的控制方程如下：

式中：t為時間；x、y分別為水平方向2個維度的橫、縱坐標；z為垂向坐標；m為水體質量；w為垂向流速；u、v分別為正交曲線坐標系下流速在x、y方向的分量；mx、my分別為Jacobian矩陣正交曲線坐標系轉換系數(shù)；H為全水深，即未擾動時的z坐標原點z*=0時的水深h和水面位移ξ之和；f為科氏力參數(shù)；Av為垂向紊動擴散系數(shù)；Qu、Qv分別為動量方程的源項和匯項；g為重力加速度；p為壓強；ρ為水體密度；ρ0為參考密度。

為了有效模擬水體分層對垂向混合強度的影響，本文采用2.5階的Mellor-Yamada紊流模型來求解垂向的紊動擴散項。各個變量在水平和垂直方向均采用交錯網格進行離散，并結合有限差分法和有限體積法來進行三維水動力數(shù)值模型的控制方程的求解。

2.4 模擬方法

本文中三維水動力數(shù)值模型的計算均采用非恒定流動態(tài)模擬，模型的初始條件為擬定的設計水位，通過設置風向邊界條件，模擬漂浮式水上光伏電站在不同設置方案下水庫的水動力情況。模型計算時的時間步長取2 s。

2.5 水庫區(qū)域模型的構建

根據2009年豐農水庫的實測地形資料，建立了該水庫的三維水動力數(shù)值模型。建模地形范圍為整個豐農水庫，建模區(qū)域的橫向最大長度約為2 km，縱向最大長度約為2.5 km，垂向最大水深為2 m。水庫水域外側的陸域邊界為已有堤防工程和護岸堤軸線。根據豐農水庫的實測地形數(shù)據生成計算網格，在水平方向單個計算網格的均值為20 m，網格總數(shù)為16917個；在垂直方向將水庫分為8層進行計算。模擬過程中，平均風速取3.5 m/s，風向采用西南偏南風。建模區(qū)域的網格劃分圖如圖3所示。圖中：P1、P2分別為水庫南端和北端選取的2個點。

圖3 建模區(qū)域的網格劃分圖Fig. 3 Meshing diagram of modeling area

2.6 模擬時典型工況的設置

模擬時的典型工況共包括3種：第1種為未在水庫上建設漂浮式水上光伏電站；第2種為在水庫的上風區(qū)(即水庫的南側)建設漂浮式水上光伏電站；第3種為在水庫的中間建設漂浮式水上光伏電站。3種典型工況下漂浮式水上光伏電站具體的布置方式如圖4所示。

圖4 3種典型工況下漂浮式水上光伏電站的布置方式Fig. 4 Layout of floating water PV power station under three typical working conditions

3 模擬結果及分析

3.1 未建設漂浮式水上光伏電站時水庫的風生流特征

對未建設漂浮式水上光伏電站時水庫的水位，以及水庫平面和垂向剖面的風生流場情況進行了模擬，模擬結果如圖5所示。圖中：箭頭長度代表流速，箭頭方向代表流向。

圖5 未建設漂浮式水上光伏電站時水庫的水位，以及水庫平面和垂向剖面的風生流場情況Fig. 5 Water level of reservoir and wind-driven flow field in the horizontal and vertical sections of reservoir when floating water PV power station is not built

從圖5中可以看出，受水庫風場的作用，整個水庫區(qū)域存在輕度壅水，其下風區(qū)(即水庫的北側)的水位高，上風區(qū)的水位低，水位差約為0.006 m。水庫的風生流較為明顯，從平面流場來看，考慮風的流程，整個水庫的流場呈現(xiàn)兩邊流速大、中間流速小的情況；從垂向剖面來看，由于水庫表層風向為西南偏南風，因此整個水庫區(qū)域在垂向剖面上呈現(xiàn)一個水流從上風區(qū)往下風區(qū)流動的順時針環(huán)流。

3.2 水庫的上風區(qū)建設漂浮式水上光伏電站時水庫的風生流特征

對水庫的上風區(qū)建設漂浮式水上光伏電站時水庫的水位，以及水庫平面和垂向剖面的風生流場情況進行了模擬，模擬結果如圖6所示。圖中：箭頭長度代表流速，箭頭方向代表流向。

從圖6中可以看出，受水庫風場的作用，下風區(qū)的水位偏高，相較于未建設漂浮式水上光伏電站時，水庫的壅水現(xiàn)象主要出現(xiàn)在水庫的下風區(qū)；相較于未建設漂浮式水上光伏電站時，下風區(qū)與上風區(qū)的水位差偏小，約為0.002 m。從水庫的平面流場來看，由于水庫上風區(qū)建設有漂浮式水上光伏電站，再加上表層風向為西南偏南風，因此水流的流向呈順時針方向。從垂向剖面來看，由于水庫上風區(qū)建設有漂浮式水上光伏電站，因此上風區(qū)內水流的流速較小，下風區(qū)內水流的流速較大；環(huán)流主要出現(xiàn)在未建設漂浮式水上光伏電站的水庫下風區(qū)。

3.3 在水庫中間建設漂浮式水上光伏電站時水庫的風生流特征

對水庫中間建設漂浮式水上光伏電站時水庫的水位，以及水庫平面和垂向剖面的風生流場情況進行了模擬，模擬結果如圖7所示。圖中：箭頭長度代表流速，箭頭方向代表流向。

圖7 水庫中間建設漂浮式水上光伏電站時水庫的水位，以及水庫平面和垂向剖面的風生流場情況Fig. 7 Water level of reservoir and wind-driven flow field in the horizontal and vertical sections of reservoir when floating water PV power station is built in the middle of reservoir

從圖7中可以看出，水庫中間區(qū)域的水位變化不大，但上風區(qū)和下風區(qū)的水位變化較為明顯，下風區(qū)與上風區(qū)的最大水位差約為0.003 m。從水庫的平面流場來看，由于水庫中部不受風場作用，水庫西側的水流呈一個順時針環(huán)流，而東側的水流呈一個逆時針環(huán)流。從垂向剖面來看，水庫的上風區(qū)和下風區(qū)均出現(xiàn)了一個較弱的順時針環(huán)流。由于水庫中部建設有漂浮式水上光伏電站，該電站下方的下層水流受水庫上風區(qū)水流和下風區(qū)水流的共同作用，呈現(xiàn)明顯的向上風區(qū)流動的趨勢；而電站下方的上層水流則受到了流向下風區(qū)的水流的推力和下層水流流向上風區(qū)的剪切力，這2個方向的水流流向并存。

4 結論

本文建立了考慮漂浮式水上光伏電站不同布置方案時水庫的三維水動力數(shù)值模型，模擬分析了未建設漂浮式水上光伏電站、在水庫上風區(qū)建設漂浮式水上光伏電站及在水庫中間建設漂浮式水上光伏電站這3種情況下水庫的水位和風生流場情況，解析了漂浮式水上光伏電站對湖庫風生流的作用機理，得出以下結論：

1)在水庫未建設漂浮式水上光伏電站時，由于風場作用，整個水庫存在輕度壅水的情況，下風區(qū)的水位偏高；由于水庫表層風向為西南偏南風，因此整個庫區(qū)的水流在垂向剖面上呈現(xiàn)一個從上風區(qū)流向下風區(qū)的順時針環(huán)流。

2)當水庫上風區(qū)建設有漂浮式水上光伏電站時，水庫的壅水現(xiàn)象主要出現(xiàn)在水庫的下風區(qū)，相較于未建設漂浮式水上光伏電站時，下風區(qū)與上風區(qū)的水位差偏??；從水庫的平面流場來看，由于上風區(qū)建設有漂浮式水上光伏電站，因此水流的流向呈順時針方向；從垂向剖面來看，上風區(qū)的水流流速較小，下風區(qū)的水流流速較大；環(huán)流主要出現(xiàn)在水庫的下風區(qū)。

3)當水庫中間建設有漂浮式水上光伏電站時，水庫中間區(qū)域的水位變化不大；但上風區(qū)和下風區(qū)的水位變化較為明顯，不過二者的水位差相較于未建設漂浮式水上光伏電站時的偏小。從水庫的平面流場來看，由于水庫中間區(qū)域不受風場的作用，因此水庫西側的水流呈一個順時針環(huán)流，東側的水流呈一個逆時針環(huán)流。從垂向剖面來看，電站下方的下層流場受水庫上風區(qū)和下風區(qū)水流的共同作用，呈現(xiàn)一個明顯的水流向上風區(qū)流動的趨勢，電站下方的上層水流則受到流向下風區(qū)的水流的推力和下層水流流向上風區(qū)的剪切力，這2個水流方向并存。

該研究成果揭示了漂浮式水上光伏電站對湖庫風生流的作用機理，為漂浮式水上光伏電站項目的設計和湖庫生態(tài)管理提供了科學依據。