【论文推荐】| 桁架式光伏与网箱集成系统的动力响应特性分析

论文导读与观点概要

一、研究目的

以太阳能为代表的可再生能源是实现碳中和与能源转型的关键路径，但陆域面积已成为制约光伏进一步发展的瓶颈，光伏产业正加速由陆基向水基转变。海上光伏兼具水冷收益与无遮蔽优势，可开发面积广阔，有望成为未来新能源开发的重要组成。然而当前海上浮式光伏（FPV）平台面临一个突出的经济性瓶颈：面向深远海恶劣环境时，浮体与系泊的设计成本占平台总成本近70%，导致发电成本过高，难以大规模推广应用。

与此同时，将深远海多种海洋系统集成（共享浮体或系泊）已被证明是一种有效的降本途径。基于此，本研究依托自主设计的浮筒-桁架式光伏平台，创新性地提出"桁架式光伏平台与重力式养殖网箱集成"的系统方案，意在通过光伏与渔业的融合实现浮体与系泊资源的共享利用，从而摊薄成本、助力海上光伏平价发电。研究旨在揭示网箱增设对光伏平台动力响应特性的影响机理，并系统比较圆形与方形两种典型浮筒形状在浪流载荷下的耦合动力响应差异，为集成系统的工程选型提供科学依据。

二、研究方法

研究首先完成了集成系统的概念设计，系统由桁架式光伏平台、重力式网箱与系泊系统三大核心组件构成：平台由浮筒、钢制桁架、甲板梁等组成，重力式网箱通过柔性网衣与浮筒连接并配置底部配重，系泊系统采用4根间隔90°布置的悬链线。顶部共布置408块光伏板，总面积693.6 m²、总功率97.9 kWp。

数值仿真采用OrcaFlex V11.4软件，以隐式算法求解时域动力学运动方程。浮筒、网箱配重、系泊缆等满足细长体假设，流体载荷采用Morison方程计算；网衣阻力采用经验公式求解阻力系数，并引入网目群化方法（保证等效前后质量、刚度、水动力载荷与网目覆盖面积一致）和流速衰减因子以近似处理网衣尾流效应，兼顾计算效率与精度。

模型可靠性经双重验证：其一，在深水试验池开展1:20缩尺比的四模块光伏平台模型试验，基于黄海（海阳）环境载荷对比运动响应与系泊张力，纵摇平均值试验与仿真相对误差仅4.2%，整体精度满足工程需求；其二，对经典Kristiansen网箱试验进行复算，网衣阻力、剩余体积系数及网衣变形形态与试验吻合良好，精度优于对比方法。随后基于中国黄海（海阳）统计数据设置纯流、纯浪及浪流联合等5组环境工况（含50年一遇极端海况），系统开展RAO与全时域动力响应分析。

三、研究结果

网箱增设的影响： 在50年一遇海况（LC4）下，方形浮筒平台增设网箱（12.72 t）后，纵荡平均值由0.08 m增大至0.75 m，网箱对流载荷响应显著、纵荡方向出现明显偏移；但系统重心下移使纵摇运动最大值由8.31°减小至7.08°，这一纵摇抑制效应有利于降低光伏发电功率波动、提升发电稳定性；垂荡响应变化较小。需注意甲板边缘最小气隙由0.66 m下降至−1.45 m，出现负气隙，存在光伏板上浪风险，建议通过迎浪侧加装防浪板（推荐0.8~1.2 m）并校核光伏支架高度予以规避。系泊方面，仅波浪工况下系泊载荷变化不明显，但计入流载荷后迎浪侧张力显著增大——LC4下峰值由787.77 kN增至1 118.31 kN，极值仍远低于系泊缆破断张力，故可沿用原平台系泊系统。

浮筒形状对比： 圆形浮筒在养殖性能上占优——初始养殖体积达14 667 m²（方形11 520 m²），且网衣受力均匀、变形平滑，全程剩余养殖体积更大；而方形浮筒运动响应更剧烈，浪流联合工况下纵摇最大值比圆形小0.53°、纵荡最大值大0.15 m、迎浪侧系泊张力高出13.3%、气隙最小值低1.16 m，上浪风险更高。

四、研究结论

研究以自主设计的浮筒-桁架式光伏平台为基础，提出了光伏与网箱集成系统的创新概念，并深入开展了浪流联合作用下集成系统耦合动力响应的研究。首先，系统探究了网箱增设对光伏平台动力响应的影响；随后，聚焦圆形与方形两种浮筒形状，深入分析了光伏+网箱集成系统的动力响应特性，得出以下结论： 

1）与原桁架式光伏平台相比，集成系统在纵荡方向的运动响应显著增加，在LC4工况（50年一遇波流）下，纵荡平均值由0.08 m（光伏）增加至0.75 m（光伏+网箱12.72 t）；加装网箱后，集成系统的重心下移，系统纵摇正向的最大值整体降低。在浪流联合工况下，流载荷会进一步抑制正向纵摇运动；垂荡运动响应的变化较小，加装网箱会导致集成系统甲板气隙最小值有所降低，从0.66 m（光伏）下降至-1.45 m（光伏+网箱12.72 t），可通过在迎浪侧甲板边缘设置防浪板、调整光伏支架高度来避免光伏板上浪风险。在仅波浪工况下，集成系统的系泊载荷变化不明显；当考虑流载荷后，迎浪侧系泊载荷的均值和最大值增加，LC4工况迎浪侧系泊张力极值从787.77 kN（光伏）增至1 118.31 kN（光伏+网箱4.24 t）。 

2）在纯流作用下，方形与圆形浮筒光伏+网箱集成系统的运动响应和网箱阻力结果较为接近。养殖体积方面，圆形网箱初始养殖体积为14 667 m³，方形网箱为11 520 m³，相同流速下圆形网箱剩余养殖体积始终大于方形网箱。网衣变形方面，水流对圆形网箱的作用较为均匀，随着流速增加，圆形网箱仍能保持较好的流线型，网衣变形较为平滑；方形网箱在高流速下迎流侧网衣变形复杂，在与侧面网衣交接处产生局部突变。

3）在浪流联合作用（LC4）下，对比方形与圆形浮筒光伏+网箱集成系统，方形浮筒纵荡运动最大值较圆形浮筒增加了0.15 m，纵摇最大值较圆形浮筒减小了0.53°。两种浮筒集成系统垂荡运动平均值和极值较为接近。此外，方形浮筒甲板边缘气隙最小值较圆形浮筒降低了1.16 m，增加了甲板上浪的风险。两种浮筒离浪侧系泊张力的平均值和最大值较为接近，但方形浮筒迎浪侧系泊张力最大值较圆形浮筒高出13.3%。

综上，桁架式光伏平台加装网箱后，对平台运动响应和系泊载荷影响较小。网箱通过对平台纵摇运动的抑制，能够提升光伏发电的稳定性。对比圆形、方形两种浮筒形状集成系统，圆形浮筒在网箱养殖体积和网衣变形方面具有优势，但圆形浮筒会产生更大的纵摇运动，对集成系统的气隙与系泊载荷造成影响。 

相关图表

本文引用格式：蔡宇航, 张显涛, 罗文平. 桁架式光伏与网箱集成系统的动力响应特性分析[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 154-171.  (CAI Yuhang, ZHANG Xiantao, LUO Wenping. Analysis of the dynamic response characteristics of the truss-type photovoltaic and cage integrated system[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 154-171.  (in Chinese)）

通信作者简介：张显涛   

张显涛，男，博士，上海交通大学长聘副教授，博士生导师，上海市浦江学者。主要从事海洋浮式装备耦合动力学相关方面的研究，聚焦波浪能装备、海上光伏、深远海养殖装备、波动鳍潜航器等相关领域。（1）国际上首次提出适应型双稳态波能俘获机制，实现波浪能装备俘能效率和频响带宽的双重提升（均1倍左右），克服了传统波浪能装备频响带宽过窄而在随机波中效率较低的难题；创新研发了集成适应型双稳态系统和机械传动式波能转换系统的振荡浮子式波浪能装备原理样机，在模型尺度上突破了波电高效稳定转换的技术瓶颈。（2）提出并系统发展了基于离散模块-有限元理论的大型浮体水弹性响应分析方法，从根本上消除了复杂构型结构模态难确定的难题，突破了非稳态激励和复杂柔性连接条件下的大型浮体动力响应计算的瓶颈。（3）首次基于实验发现了深远海养殖装备立柱和网衣结构由于流场互扰引发的增阻现象，探明了二者的水动力耦合机理；提出无量纲参数—相对越浪时间，从根本上阐明养殖工船甲板上浪的发生机制和砰击载荷特性。上述成果极大丰富了海洋装备流固耦合动力学的研究内涵，并有力推动了波浪能、海上光伏和深远海养殖等领域的创新研究和技术进步。相关研究成果以第一或通讯作者在Applied  Energy，Journal of Fluids and  Structures等知名期刊发表SCI论文30余篇，谷歌学术引用1238次，授权发明专利11项，获上海市浦江人才计划（省部级）和第33届水波与浮体国际会议Tuck  Fellowship（国际）等学术荣誉。

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