【论文推荐】| 海上浮筒型漂浮式渔光互补系统的水动力响应数值模拟研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

在全球能源安全与气候变化问题日趋严峻的背景下，可再生能源的快速发展已成为各国应对能源危机与实现碳中和目标的关键路径。太阳能光伏发电凭借其普遍性与可持续性优势，被视为最具前景的清洁能源替代方案之一。近年来，随着陆上光伏资源日趋紧张，其应用模式正加速向海上延伸，漂浮式光伏作为海上新能源的重要组成部分，展现出广阔的发展前景。然而，漂浮式光伏在海上大规模推广的过程中，其用海空间与传统水产养殖形成了明显的资源竞争，引发了日益突出的用海矛盾。如何在有限的海洋空间内实现新能源开发与水产养殖的协同发展，已成为当前海洋工程与渔业领域亟待解决的重要课题。

针对上述问题，本研究提出了一种创新的浮筒型漂浮式渔光互补系统，将漂浮式光伏发电与网箱养殖深度融合，构建"水面生产清洁能源、水下实现水产养殖"的新型海洋空间利用模式。该系统的核心设计理念在于：以正八边形浮筒与立柱构成的浮架系统作为整体承载平台，上方铺设光伏板进行光伏发电，下方悬挂网衣形成养殖空间，通过统一的系泊系统实现整体定位。本研究旨在通过系统的数值模拟分析，揭示该渔光互补系统在不同环境条件下的水动力响应规律，评估其结构安全性与光伏发电效率，为该类新型融合系统的工程设计提供科学依据与工程指导。

二、研究方法

本研究采用理论分析与数值模拟相结合的方法，基于势流理论与集中质量法，利用海洋工程商业软件OrcaWave和OrcaFlex构建了渔光互补系统的全耦合水动力分析模型。具体方法如下：

（1）理论基础方面：浮架系统的水动力计算基于线性势流理论，通过OrcaWave求解一阶波浪力、运动响应幅值算子（RAO）以及附加质量与阻尼矩阵。网衣系统采用集中质量法进行建模，将柔性网衣离散为一系列线段，质量、浮力等属性集中于质量点上，通过求解牛顿第二定律建立各集中质量点的运动方程。系泊系统与网衣系统所受水动力荷载采用莫里森方程计算，并引入Choo扩展公式考虑雷诺数变化对水动力系数的影响。

（2）数值模型方面：浮架系统由正八边形浮筒（总长85.1 m，浮筒直径9 m，立柱4根）与4根300 m钢制无档锚链（设计水深60 m，系泊半径318 m）构成；光伏板铺设于浮架上方（100块，每块5 m×0.5 m）；网衣系统悬挂于浮架下方，采用8股复丝尼龙纤维编织，网目大小36 mm，网线直径5 mm，底部配有沉子。通过SolidWorks建立三维模型，利用ANSYS-AQWA构建频域计算所需的面板单元网格，在OrcaFlex中通过集中质量法构建系泊系统与网箱模型，进行全耦合时域分析。

（3）模型验证方面：首先进行了网格收敛性验证，采用4种不同网格数量（2120至10303个面板单元）进行求解，结果表明面板模型3（7340个面板单元）在计算精度与效率之间取得了良好平衡。其次，将数值模型与前人张英超等在海洋环境水槽中进行的浮筒型漂浮式风渔融合结构规则波模型试验结果进行对比，试验水槽长50.0 m、宽3.0 m、深1.0 m，数值模拟结果与试验数据总体吻合良好，验证了数值模型的有效性。

（4）工况设计方面：共设置7种工况（LC1~LC7），涵盖波高2~8 m、波周期10~16 s的多种组合，同时考虑3种网衣密实度（Sn=0.18、0.22、0.26），以全面探讨不同环境条件与网衣结构参数对系统水动力响应的影响。

三、研究结果

（1）波高对系统响应的影响：在不同网衣密实度条件下，系统纵荡、垂荡、纵摇及迎流侧缆张力的最大值均随波高的增大而显著增大。以网衣密实度Sn=0.18为例，当波高由2m增加至8 m时，纵荡最大值由10.00 m增至12.07 m（增大约20.7%），垂荡最大值由0.53 m增至1.67 m（增大约2.15倍），纵摇最大值由1.80°增至7.27°（增大约3.04倍），迎流侧缆张力由384.98 kN增至533.73 kN（增大约38.64%）。波高增大会直接引起波浪力的增加，从而导致系统三自由度运动与动力响应的显著增大。

（2）波周期对系统响应的影响：纵荡、垂荡及迎流侧缆张力的最大值随波周期的增大而增大，但纵摇最大值随波周期增大而减小。以Sn=0.18为例，当波周期由10 s增加至16 s时，纵荡最大值由11.54 m增至15.58 m（增大约35.01%），垂荡最大值由1.31 m增至2.58m（增大约96.95%），迎流侧缆张力由464.57 kN增至775.24 kN（增大约66.87%），而纵摇最大值由5.47°减小至3.45°（减小约36.93%）。波周期增大通过改变波浪能量密度和系统响应时间影响运动响应——波周期增大导致波浪能量密度减小，系统有更充足的时间通过自身恢复力矩恢复至初始稳定状态，因此纵摇响应反而减小。相较波高，波周期对缆张力的影响更为显著。

（3）网衣密实度的影响：网衣密实度的增加导致系统纵荡与迎流侧缆张力显著增大，垂荡略微减小，纵摇略微增大。以LC2工况为例，网衣密实度由0.18增加至0.26时，纵荡增加约30.33%，迎流侧缆张力增加约44.69%。其内在机制在于：网衣密实度增加导致迎流面积增大，系统总阻力增加，迎流侧缆需提供更大张力以维持平衡；同时网衣密实度增加使系统下方质量增加、重心下移，惯性力增大，导致垂荡略微减小。

（4）光伏发电效率分析：光伏板接收的辐照度与系统纵摇同步波动变化。随着波高增大，光伏板接收辐照度的波动范围增大，最大波动变化由3.53%增加至7.67%；随着波周期增大，辐照度波动范围减小，最大波动变化由6.39%减小至4.86%。网衣密实度对光伏板发电效率的影响较小，三种密实度下辐照度波动范围差异不足0.2 W/m²。总体而言，正常海况下渔光互补系统的光伏发电输出功率波动范围较小，均在10%以内，可以保证长时间平稳的功率输出。

四、研究结论

基于面板模型与集中质量法建立了“漂浮式光伏+网箱”的浮筒型渔光互补系统数值模型，并通过物理模型试验验证了数值模型的准确性，分析了不同波高、周期和网衣密实度下浮架系统的运动响应与迎流侧缆张力的动力响应，以及系统纵摇对光伏板发电效率的影响，证明了渔光互补的新型模式具有一定的可行性。具体结论如下：

1）浮筒型渔光互补系统的运动与动力响应受波浪载荷影响较大。波高增大时，结构的运动与动力响应均增大；而波周期增大时，结构纵摇方向的运动响应则减小。在S_n=0.18情况下，随着波高由2 m增加至8 m，结构纵荡相较波高2 m时增大了约20.7%，垂荡增大了约2.15倍，纵摇增大了约3.04倍，迎流侧缆张力增大约38.64%。随着波周期由10 s增加至16 s，结构的纵荡增大约35.01%，垂荡增大约96.95%，迎流侧缆张力增大约66.87%，纵摇最大值则减小约36.93%。

2）光伏板的发电效率与渔光互补系统纵摇的波动规律一致。随着波高增大，光伏板接收辐照度的波动越大，最大波动变化为7.67%；随着波周期的增大，光伏板接收的辐照度的波动减小，最大波动变化为6.39%。正常海况下，渔光互补的光伏发电输出功率的波动范围较小，均在10%以内，可以保证长时间平稳的功率输出。

3）网衣密实度的增加导致结构的纵荡与迎流侧缆张力显著增大。LC2网衣密实度由0.18增加至0.26时，结构纵荡增加约30.33%，迎流侧缆张力增加约44.69%。建议加固迎流侧缆与浮架连接处，提高结构的安全性。网衣密实度的增加对光伏板发电效率波动影响较小，但在实际工程应用中，仍需根据养殖需求和环境条件选择合适的网衣密实度，并建立定期清洗和更换网衣的维护机制，以保障系统的长期稳定运行。

4）渔光互补系统的三自由度运动响应（纵荡、垂荡、纵摇）受波浪条件影响的内在机制与波浪能量传递和结构的惯性力、恢复力矩有关。波高增大会直接引起波浪力的增加，从而导致纵荡、垂荡和纵摇显著增大；波周期增大则通过改变波浪能量密度和结构响应时间，影响恢复力矩，导致纵摇减小。网衣密实度增加通过改变受力面积和重心位置，进一步影响水动力响应，即受力面积增大导致纵荡和缆张力增加，重心下移则使垂荡略微减小。

相关图表

本文引用格式：崔森琦, 王志瑜, 毕春伟. 海上浮筒型漂浮式渔光互补系统的水动力响应数值模拟研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 57-69.  (CUI Senqi, WANG Zhiyu, BI Chunwei. Numerical study on the hydrodynamic response of an offshore buoy-type floating PV-aquaculture integration system[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 57-69.  (in Chinese)）

通信作者简介：毕春伟   

毕春伟，中国海洋大学水产学院教授、博士生导师，国家级青年人才，山东省“泰山学者”青年专家。2009年于山东农业大学获学士学位，2012年、2016年于大连理工大学分获硕士、博士学位。2016年至2018年在大连理工大学从事博士后研究，2018年12月晋升副教授，2022年起任中国海洋大学教授、博导。

其研究方向为深远海养殖设施与装备的水动力学及结构安全。发表SCI论文多篇，其中1篇入选Elsevier出版社“2016年度高被引论文”，并授权发明专利多项。主持国家自然科学基金面上项目、青年基金，主编辽宁省地方标准《海上浮式渔业平台结构设计规范》。参与的科研项目曾获教育部科技进步一等奖、海洋工程科学技术奖二等奖、辽宁省科技进步一等奖等奖励。2023年入选泰山学者青年专家，2024年入选国家级青年人才计划并担任国际期刊《Aquacultural Engineering》副主编。

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