風(fēng)荷載對海上浮式光伏系統(tǒng)的影響

由臺灣科技大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組對浮式光伏（FPV）系統(tǒng)在不同風(fēng)速和湍流強(qiáng)度下的氣動性能進(jìn)行了研究，并通過材料優(yōu)化發(fā)現(xiàn)了節(jié)約成本的機(jī)會。

“本研究對一個按比例縮小的海上浮式光伏系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的風(fēng)洞研究，為理解該系統(tǒng)的單一島式和陣列式配置在不同風(fēng)況和湍流強(qiáng)度下的氣動特征提供了關(guān)鍵見解，”該研究小組表示，“研究著重強(qiáng)調(diào)，風(fēng)致阻力和升力會對海上浮式光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生重大影響，尤其是在颶風(fēng)等極端海況場景下?！?/span>

單一島式和陣列式配置均以1/50的比例模型制造。該島是指一個裝有16塊光伏面板的浮動單元，其尺寸為長19.5cm、寬9.5cm、高3.8cm。

單一島式配置被用作衡量不同受力的基準(zhǔn)，而陣列式配置則被設(shè)計用于研究多個光伏單元之間的相互作用效應(yīng)。更具體而言，后者以3×5的排列方式包含15個單一島式模型，覆蓋了一個60cm x 60cm的水平區(qū)域。

實驗結(jié)果

“研究小組在受控風(fēng)洞環(huán)境中對海上浮式光伏系統(tǒng)模型進(jìn)行了測試。風(fēng)洞的測試段寬度為2.2m，高度為1.8m，長度為12.0m，光伏面板陣列式模型放置在測試段轉(zhuǎn)盤的中心，轉(zhuǎn)盤直徑為3m，距離入口4.5m，”學(xué)者們解釋稱，“為模擬真實的海上風(fēng)況，在端板前緣上游1.8m和2.0m處放置網(wǎng)格，以產(chǎn)生兩種湍流強(qiáng)度?！?/span>

每個單個模型上都設(shè)有56個壓力測點(diǎn)，用于數(shù)據(jù)采集。這些孔經(jīng)過精心放置，所受到的壓力通過鋼管傳遞到丙烯酸盤上，然后通過塑料軟管傳遞到壓力掃描筏上。風(fēng)壓測量的采樣時間設(shè)置為5分鐘，采樣頻率設(shè)置為每秒300次。

實驗測試表明，阻力系數(shù)分布和風(fēng)壓對光伏系統(tǒng)的影響會隨進(jìn)風(fēng)角度的不同而變化。“正壓和負(fù)壓會產(chǎn)生力偶，影響面板的旋轉(zhuǎn)，”研究小組強(qiáng)調(diào)，“在較小的風(fēng)角下，湍流造成的擾動更強(qiáng)，尤其是在迎風(fēng)面上，而較大的風(fēng)角會減少擾動和吸力效應(yīng)?？傮w而言，風(fēng)壓在較小風(fēng)角下變化顯著，并隨風(fēng)角的增加而減小?！?/span>

更具體而言，當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為0°和30°時，頂部受到的負(fù)壓和底部受到的正壓會增加阻力，湍流會進(jìn)一步放大這種阻力。當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為60°時，由于壓力重新分布，阻力略有增加；而當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為90°時，壓力平衡會降低阻力。“同樣，當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為0°時，升力較??；當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為30°時，升力會隨湍流而增加；當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為60°時，升力達(dá)到峰值；當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為90°時，即使在湍流條件下，升力也會再次減小，”他們補(bǔ)充道。

經(jīng)濟(jì)評估

研究小組還發(fā)現(xiàn)，湍流會顯著降低平均風(fēng)力系數(shù)（該系數(shù)用于描述作用在面板上的風(fēng)力大?。?。結(jié)果顯示，與較低湍流相比，上游較高湍流會使該系數(shù)降低了70%至80%?！拜^小的風(fēng)角會受到更強(qiáng)的風(fēng)擾動，而湍流會放大這種擾動。湍流會增加整體風(fēng)荷載和風(fēng)角之間的可變性，從而影響氣動力，”研究人員強(qiáng)調(diào)。

在經(jīng)濟(jì)性方面，研究小組比較了在光伏系統(tǒng)中經(jīng)常用于支撐太陽能電池陣列的兩種聚乙烯材料——高密度聚乙烯（HDPE）和中密度聚乙烯（MDPE）。雖然前者因其強(qiáng)度而被更廣泛使用，但后者是一種更具成本效益的替代方案。

“在阻力和升力較小的中心區(qū)域，用中密度聚乙烯替代高密度聚乙烯可以將系統(tǒng)成本降低10.2%，”該研究小組表示，“這種替代可平衡材料強(qiáng)度和成本，使更大規(guī)模的浮式光伏系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)性和效率。” 研究結(jié)果發(fā)表在《Energy Nexus》期刊的“風(fēng)力在不同湍流強(qiáng)度下對浮式光伏系統(tǒng)太陽能電池板陣列之影響的實驗研究與經(jīng)濟(jì)評估”一文中。除了臺灣科技大學(xué)的研究人員外，臺灣工業(yè)技術(shù)研究院的研究人員也參與了本項研究。