一种针对海上浮式柔性薄膜光伏平台安全性的校核方法

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种针对海上浮式柔性薄膜光伏平台安全性的校核方法。

背景技术：

1、随着光伏发电技术的进步和成本的下降，光伏发电产业的规模不断扩大，到2022年年底，世界光伏累计装机容量约为1.2tw。然而，大型光伏电站对土地的使用需求约为0.016平方公里每兆瓦，这在人口密度高和土地多用途的地区和国家，将对光伏项目的经济性带来极大的负面影响。如果将光伏电站部署在远离人群的偏远地区，长距离输电的基础设施也会附加高额的成本。

2、因此，随着陆上光伏空间资源的收紧和我国对淡水水上光伏开发的限令，海上区域已成为光伏开发的重要战略空间。浮式光伏系统作为一种全新的光伏发电技术，解决了陆基光伏系统的部分问题和挑战。考虑到开阔海域相对显著的波流等海洋环境，传统的水上光伏浮箱结构已经不再适用，新型的海上光伏支撑结构开始获得关注，比较典型的有刚性浮式光伏支撑结构和柔性薄膜光伏支撑结构。其中，海上浮式柔性薄膜光伏平台具有结构重量和系泊应力小、风阻小、运输方便、易安装、造价低等优势。但是目前针对海上浮式柔性薄膜光伏平台安全性的校核方法还不够完善。

3、因此，本领域的技术人员致力于开发一种针对海上浮式柔性薄膜光伏平台安全性的校核方法。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：

2、1）现有技术缺乏针对海上光伏柔性双浮圈结构的有效变形推导与内力分布计算方法，难以对其进行准确的强度和承载力校核。

3、2）薄膜在风浪作用下的大范围柔性变形导致张力分布计算困难；此外，在输入极端波浪实例时往往会产生不符合物理实际的高波陡波浪，极易导致计算出的薄膜局部张力被严重高估。

4、3）薄膜光伏平台迎风及受流面积大，动态环境下载荷波动剧烈，常规静态评估无法准确反映系泊系统的疲劳与破断风险。

5、4）浮式薄膜光伏平台的干舷普遍较低，极易受波浪越过有效干舷引发上浪影响，进而增加平台负重甚至引发设备水淹损毁风险，现有技术较难对其瞬时进水量进行定量分析。

6、为实现上述目的，本发明提供了一种针对海上浮式柔性薄膜光伏平台安全性的校核方法，所述海上浮式柔性薄膜光伏平台包括双浮圈、薄膜和多个系泊连接件，所述双浮圈包括内浮圈和外浮圈，内浮圈和外浮圈均为圆环形且同心，内浮圈与外浮圈刚性连接，薄膜边缘与内浮圈刚性连接，所述校核方法包括浮圈结构校核：

7、获取海上浮式柔性薄膜光伏平台的结构物理参数与海洋环境载荷参数，根据现有结构动力学理论和水弹性理论建立耦合动力学方程组，求解所述耦合动力学方程组获得浮圈弹性变形模态系数，浮圈弹性变形模态系数包括浮圈垂向变形的模态系数、，浮圈的面内弹性变形模态系数、， 其中为模态阶数，

8、浮圈结构校核的判断标准为：≤时判断为满足浮圈结构安全性需求，>时判断为不满足浮圈结构安全性需求，其中为浮圈设计应力，为浮圈材料的屈服应力。

9、进一步的，

10、所述

11、其中，是系泊系统预张力造成的恒定正应力，为的载荷系数，是环境载荷造成的正应力，为的载荷系数。

12、进一步的，所述，

13、其中，为浮圈管壁上一点的总正应力。

14、进一步的，所述，

15、其中，为浮圈管壁上一点由面外弯矩造成的正应力，为浮圈管壁上一点由面内弯矩造成的正应力, 为浮圈的截面惯性矩, ，为点在截面质心坐标系中的径向坐标, 为点在截面质心坐标系中的垂向坐标，为浮圈的面外弯矩，为浮圈的面内弯矩。

16、进一步的，

17、

18、

19、其中，为浮圈的弹性模量,为浮圈的截面惯性矩，为浮圈截面质心到圆心的距离，为浮圈的等效半径。

20、进一步的，所述校核方法还包括薄膜结构校核：

21、获取海上浮式柔性薄膜光伏平台的结构物理参数与海洋环境载荷参数，根据现有结构动力学理论和水弹性理论建立耦合动力学方程组，求解所述耦合动力学方程组获得薄膜弹性变形模态系数，薄膜弹性变形模态系数包括薄膜面内变形的模态系数、、、，薄膜面内变形的第一类的第m阶的第n个特征值，薄膜面内变形的第二类的第m阶的第n个特征值，

22、薄膜结构校核的判断标准为：≤1时判断为满足薄膜结构安全性需求，>1时判断为不满足薄膜结构安全性需求，

23、，其中为薄膜的设计张力，为薄膜材料的许用张力。

24、进一步的，

25、，

26、其中，为薄膜预先加载的预张力，为其载荷系数，

27、为施加外载荷后计算得到的最大张力，为其载荷系数。

28、进一步的，

29、

30、

31、其中，为薄膜的预张力， 为薄膜上某点处的最大张力，

32、，其中，为薄膜上某点处的最大主应力，为薄膜的厚度，

33、计算公式为：

34、

35、其中，为薄膜的总径向正应力，为薄膜的周向正应力，为薄膜的切应力,

36、,其中，为薄膜的面内变形造成的径向正应力，为薄膜的面外变形造成的径向正应力，

37、，其中，为薄膜的面内变形造成的周向正应力，为薄膜的面外变形造成的周向正应力，

38、，其中，为薄膜的面内变形造成的切应力，

39、

40、

41、

42、

43、

44、

45、其中为薄膜的弹性模量，为泊松比，为薄膜半径， 、、、为四种结构特征函数，为薄膜的预张力，为薄膜的径向梯度，

46、

47、

48、

49、其中， 为归一化薄膜径向坐标，为薄膜上一点的径向坐标，为在取值时的第m阶贝塞尔函数，为在取值时的第m阶贝塞尔函数，为根据时域势流计算提取得到的薄膜面内变形的第一类的第m阶的第n个特征值，为根据时域势流计算提取得到的薄膜面内变形的第二类的第m阶的第n个特征值，m、n为模态截取数。

50、进一步的，校核方法还包括系泊校核：

51、获取海上浮式柔性薄膜光伏平台的结构物理参数与海洋环境载荷参数，根据现有结构动力学理论和水弹性理论建立耦合动力学方程组，求解所述耦合动力学方程组获得各系泊节点处载荷变化曲线，并去除计算过程初始阶段的未稳定段，得到系泊缆的受力氛围平均张力与动态张力，结合平均环境安全系数与动态环境安全系数，综合计算系泊设计载荷：

52、

53、计算系泊利用率：

54、

55、若< 1，则该缆满足强度要求，否则不满足。

56、进一步的，校核方法还包括上浪校核：

57、获取海上浮式柔性薄膜光伏平台的结构物理参数与海洋环境载荷参数，根据现有结构动力学理论和水弹性理论建立耦合动力学方程组，求解所述耦合动力学方程组，在整个计算过程中对双浮圈边缘的瞬时波面进行监测，以判断上浪现象及计算上浪量，

58、上浪判定条件定义为：

59、

60、其中，表示波面升高函数，表示浮圈垂向位移量，表示预设有效干舷高度，当满上式条件时，即认为发生上浪，局部上浪量按以下公式计算：

61、

62、其中，为波面水平速度，、表示上浪开始时刻与上浪结束时刻， 为瞬时波面高出挡浪墙顶部的越浪水头，=，

63、对各区间内的局部上浪量进行积分求和，得到整个计算时间内的总上浪量, 如果总上浪量小于排水泵功率和整个计算时间的乘积则判断为满足上浪校核。

64、技术效果

65、1）提出基于模态分解与曲梁理论相结合的浮圈面内外应力计算及安全性校核方法。将内外受刚性连接的浮圈等效为曲梁，利用整体水动力计算得到的位移模态系数，分别求解面外弯矩（基于欧拉-伯努利梁理论展开）和面内弯矩（基于面内不可伸长假设展开），离散并计算圆环截面上各点的总正应力，求取结构利用率。实现了对浮圈管壁任意位置设计应力的精确量化，为浮圈的管径、壁厚及材质等结构参数的优化提供了可靠的设计依据，有效避免极端海况下发生的结构屈服失效。

66、2）提出基于特征函数展开叠加与波陡极限修正相融合的柔性薄膜主应力评估方法。基于各向同性圆薄板love理论控制方程和分离变量法提取薄膜的面内及面外变形模态，利用大挠度弯曲公式推导最大主应力；同时在计算流程中引入波浪破碎极限限制，自动剔除超越该极限（波陡>1/7）的畸变波面运动，避免张力误差。有效消除了因波浪失真引发的薄膜受力高估问题，获得了更贴近实际工程工况的薄膜设计张力和安全利用率，在保障安全边界的前提下降低了薄膜材料选型的冗余成本。

67、3）提出一种基于载荷变化曲线与多环境安全系数动态修正的系泊设计张力综合校核方法。从整体水动力计算结果中提取系泊节点的载荷变化曲线，去除初始未稳定段后，将受力分离为平均张力和动态张力，并分别代入规范对应下的不同环境安全系数进行载荷叠加，最终与破断载荷比对求得系泊利用率。 全面且保守地覆盖了极端海况下系泊缆绳的瞬时受力峰值，为柔性光伏平台系泊系统的布置方案、线型设计及缆绳破断拉力选型提供了量化指标，保障平台的驻位安全。

68、4）提出基于溃坝理论及相对运动状态实时监测的平台瞬时积水上浪量评估方法。在整个计算过程中动态监测浮圈边缘节点的垂向位移与瞬时波高的相对高度差，当波面高出有效干舷时判定为触发上浪，并结合溃坝理论中的越浪水头公式对波面流量进行时域上的积分，从而求得总上浪量。能够精准预测特定海况及特定有效干舷高度下的平台进水总量，通过与平台所配置的排水泵排量直接进行安全比对，为光伏平台的干舷设计和排水系统选型提供了直观的数据支撑，避免平台因积水引发倾覆沉没。

69、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。