吳慕丹，袁 萬(wàn)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102)

0 引言

由于陸上光伏電站的建設(shè)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(lái)建設(shè)水上光伏電站成為一種趨勢(shì)。我國(guó)幅員遼闊，天然湖泊、人工湖泊和水庫(kù)等水體資源眾多，目前國(guó)內(nèi)的漂浮式水上光伏電站主要建設(shè)在塌陷區(qū)或水庫(kù)上；而國(guó)外已有在河流上建設(shè)的水上光伏發(fā)電項(xiàng)目，有的國(guó)家甚至嘗試在出?？谒蜻M(jìn)行水上光伏電站的建設(shè)，比如韓國(guó)。在當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)下，合理利用水域面積開(kāi)展水上光伏電站的建設(shè)具有一定的發(fā)展前景，值得深入研究[1-2]。

由于在水域內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的作用下，湖泊和水庫(kù)(下文簡(jiǎn)稱為“湖庫(kù)”)往往會(huì)產(chǎn)生風(fēng)生流，顯著改變湖庫(kù)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(fēng)生流的形成主要是由風(fēng)場(chǎng)、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(dòng)力特征和流動(dòng)規(guī)律，揭示了太湖不同區(qū)域流場(chǎng)產(chǎn)生差異的原因。韓龍喜等[4]以我國(guó)西北地區(qū)的咸水湖艾比湖為例，建立了三維水動(dòng)力計(jì)算模型，選取典型風(fēng)場(chǎng)，分析了風(fēng)力作用下高鹽度湖泊的風(fēng)生流形成特性及風(fēng)生流水動(dòng)力參數(shù)的三維空間分布規(guī)律。烏景秀等[5]基于水動(dòng)力計(jì)算模型，建立了淺水湖泊的二維風(fēng)生流數(shù)學(xué)模型，通過(guò)控制單一變量，綜合分析了風(fēng)向、地形、補(bǔ)水流量等主要影響淺水湖泊風(fēng)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(fēng)應(yīng)力、湖泊初始水位、湖心島等因素對(duì)湖泊穩(wěn)定流場(chǎng)的建立時(shí)間、水深分布、流速分布等方面的影響。喬會(huì)婷[7]通過(guò)二維數(shù)值模擬，分析了植被對(duì)太湖風(fēng)生流水動(dòng)力特性的作用機(jī)制。通過(guò)分析上述文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)湖庫(kù)的風(fēng)生流影響因素，大部分文獻(xiàn)都是從風(fēng)向、地形等因素出發(fā)進(jìn)行分析，只有文獻(xiàn)[7]的分析涉及到了湖泊表面被植被覆蓋會(huì)影響其風(fēng)生流機(jī)理；然而目前尚無(wú)針對(duì)漂浮式水上光伏電站建設(shè)后對(duì)湖庫(kù)風(fēng)生流影響的研究成果。

綜上，針對(duì)漂浮式水上光伏電站對(duì)湖庫(kù)的風(fēng)生流作用機(jī)理，本文以我國(guó)東北地區(qū)的某中型水庫(kù)為例進(jìn)行了研究。該水庫(kù)上建設(shè)了一座漂浮式水上光伏電站，通過(guò)三維水動(dòng)力數(shù)值模型揭示漂浮式水上光伏電站建設(shè)后，在風(fēng)力作用下水庫(kù)的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解析漂浮式水上光伏電站對(duì)湖庫(kù)風(fēng)生流的作用機(jī)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(nóng)水庫(kù)作為研究對(duì)象，該水庫(kù)為中型水庫(kù)，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)建筑物。豐農(nóng)水庫(kù)設(shè)計(jì)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水，洪水位為146.32 m，防洪庫(kù)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(yīng)的死庫(kù)容為3.93×106m3；汛限水位采用正常蓄水位，為145.00 m；興利庫(kù)容為4.87×106m3；多年平均凈調(diào)節(jié)水量為 4.113×106m3。

漂浮式水上光伏電站占用的水庫(kù)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(jī)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(wàn)kWh。水庫(kù)上漂浮式水上光伏電站的布置情況如圖1所示。

圖1 水庫(kù)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(dòng)力數(shù)值模型

2.1 模型求解方式

本文的三維水動(dòng)力數(shù)值模型是基于三維、垂向靜壓力、紊動(dòng)平均、自由表面的動(dòng)量方程建立的。模型建立時(shí)使用的輸運(yùn)方程考慮了湍流動(dòng)能和湍流長(zhǎng)度。在保證遵循質(zhì)量守恒定律的前提下，在淺水區(qū)域，該模型采用干濕網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算[7]。

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

2.2 三維水動(dòng)力數(shù)值模型坐標(biāo)系的建立

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

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

2.3 控制方程

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

式中：t為時(shí)間；x、y分別為水平方向2個(gè)維度的橫、縱坐標(biāo)；z為垂向坐標(biāo)；m為水體質(zhì)量；w為垂向流速；u、v分別為正交曲線坐標(biāo)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(biāo)系轉(zhuǎn)換系數(shù)；H為全水深，即未擾動(dòng)時(shí)的z坐標(biāo)原點(diǎn)z*=0時(shí)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(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；Qu、Qv分別為動(dòng)量方程的源項(xiàng)和匯項(xiàng)；g為重力加速度；p為壓強(qiáng)；ρ為水體密度；ρ0為參考密度。

為了有效模擬水體分層對(duì)垂向混合強(qiáng)度的影響，本文采用2.5階的Mellor-Yamada紊流模型來(lái)求解垂向的紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)。各個(gè)變量在水平和垂直方向均采用交錯(cuò)網(wǎng)格進(jìn)行離散，并結(jié)合有限差分法和有限體積法來(lái)進(jìn)行三維水動(dòng)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(dòng)力數(shù)值模型的計(jì)算均采用非恒定流動(dòng)態(tài)模擬，模型的初始條件為擬定的設(shè)計(jì)水位，通過(guò)設(shè)置風(fēng)向邊界條件，模擬漂浮式水上光伏電站在不同設(shè)置方案下水庫(kù)的水動(dòng)力情況。模型計(jì)算時(shí)的時(shí)間步長(zhǎng)取2 s。

2.5 水庫(kù)區(qū)域模型的構(gòu)建

根據(jù)2009年豐農(nóng)水庫(kù)的實(shí)測(cè)地形資料，建立了該水庫(kù)的三維水動(dòng)力數(shù)值模型。建模地形范圍為整個(gè)豐農(nóng)水庫(kù)，建模區(qū)域的橫向最大長(zhǎng)度約為2 km，縱向最大長(zhǎng)度約為2.5 km，垂向最大水深為2 m。水庫(kù)水域外側(cè)的陸域邊界為已有堤防工程和護(hù)岸堤軸線。根據(jù)豐農(nóng)水庫(kù)的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)生成計(jì)算網(wǎng)格，在水平方向單個(gè)計(jì)算網(wǎng)格的均值為20 m，網(wǎng)格總數(shù)為16917個(gè)；在垂直方向?qū)⑺畮?kù)分為8層進(jìn)行計(jì)算。模擬過(guò)程中，平均風(fēng)速取3.5 m/s，風(fēng)向采用西南偏南風(fēng)。建模區(qū)域的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。圖中：P1、P2分別為水庫(kù)南端和北端選取的2個(gè)點(diǎn)。

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

2.6 模擬時(shí)典型工況的設(shè)置

模擬時(shí)的典型工況共包括3種：第1種為未在水庫(kù)上建設(shè)漂浮式水上光伏電站；第2種為在水庫(kù)的上風(fēng)區(qū)(即水庫(kù)的南側(cè))建設(shè)漂浮式水上光伏電站；第3種為在水庫(kù)的中間建設(shè)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(jié)果及分析

3.1 未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的風(fēng)生流特征

對(duì)未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的水位，以及水庫(kù)平面和垂向剖面的風(fēng)生流場(chǎng)情況進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。圖中：箭頭長(zhǎng)度代表流速，箭頭方向代表流向。

圖5 未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的水位，以及水庫(kù)平面和垂向剖面的風(fēng)生流場(chǎng)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(kù)風(fēng)場(chǎng)的作用，整個(gè)水庫(kù)區(qū)域存在輕度壅水，其下風(fēng)區(qū)(即水庫(kù)的北側(cè))的水位高，上風(fēng)區(qū)的水位低，水位差約為0.006 m。水庫(kù)的風(fēng)生流較為明顯，從平面流場(chǎng)來(lái)看，考慮風(fēng)的流程，整個(gè)水庫(kù)的流場(chǎng)呈現(xiàn)兩邊流速大、中間流速小的情況；從垂向剖面來(lái)看，由于水庫(kù)表層風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng)，因此整個(gè)水庫(kù)區(qū)域在垂向剖面上呈現(xiàn)一個(gè)水流從上風(fēng)區(qū)往下風(fēng)區(qū)流動(dòng)的順時(shí)針環(huán)流。

3.2 水庫(kù)的上風(fēng)區(qū)建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的風(fēng)生流特征

對(duì)水庫(kù)的上風(fēng)區(qū)建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的水位，以及水庫(kù)平面和垂向剖面的風(fēng)生流場(chǎng)情況進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。圖中：箭頭長(zhǎng)度代表流速，箭頭方向代表流向。

從圖6中可以看出，受水庫(kù)風(fēng)場(chǎng)的作用，下風(fēng)區(qū)的水位偏高，相較于未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)，水庫(kù)的壅水現(xiàn)象主要出現(xiàn)在水庫(kù)的下風(fēng)區(qū)；相較于未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)，下風(fēng)區(qū)與上風(fēng)區(qū)的水位差偏小，約為0.002 m。從水庫(kù)的平面流場(chǎng)來(lái)看，由于水庫(kù)上風(fēng)區(qū)建設(shè)有漂浮式水上光伏電站，再加上表層風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng)，因此水流的流向呈順時(shí)針?lè)较颉拇瓜蚱拭鎭?lái)看，由于水庫(kù)上風(fēng)區(qū)建設(shè)有漂浮式水上光伏電站，因此上風(fēng)區(qū)內(nèi)水流的流速較小，下風(fēng)區(qū)內(nèi)水流的流速較大；環(huán)流主要出現(xiàn)在未建設(shè)漂浮式水上光伏電站的水庫(kù)下風(fēng)區(qū)。

3.3 在水庫(kù)中間建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的風(fēng)生流特征

對(duì)水庫(kù)中間建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的水位，以及水庫(kù)平面和垂向剖面的風(fēng)生流場(chǎng)情況進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖7所示。圖中：箭頭長(zhǎng)度代表流速，箭頭方向代表流向。

圖7 水庫(kù)中間建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)水庫(kù)的水位，以及水庫(kù)平面和垂向剖面的風(fēng)生流場(chǎng)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(kù)中間區(qū)域的水位變化不大，但上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的水位變化較為明顯，下風(fēng)區(qū)與上風(fēng)區(qū)的最大水位差約為0.003 m。從水庫(kù)的平面流場(chǎng)來(lái)看，由于水庫(kù)中部不受風(fēng)場(chǎng)作用，水庫(kù)西側(cè)的水流呈一個(gè)順時(shí)針環(huán)流，而東側(cè)的水流呈一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流。從垂向剖面來(lái)看，水庫(kù)的上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)均出現(xiàn)了一個(gè)較弱的順時(shí)針環(huán)流。由于水庫(kù)中部建設(shè)有漂浮式水上光伏電站，該電站下方的下層水流受水庫(kù)上風(fēng)區(qū)水流和下風(fēng)區(qū)水流的共同作用，呈現(xiàn)明顯的向上風(fēng)區(qū)流動(dòng)的趨勢(shì)；而電站下方的上層水流則受到了流向下風(fēng)區(qū)的水流的推力和下層水流流向上風(fēng)區(qū)的剪切力，這2個(gè)方向的水流流向并存。

4 結(jié)論

本文建立了考慮漂浮式水上光伏電站不同布置方案時(shí)水庫(kù)的三維水動(dòng)力數(shù)值模型，模擬分析了未建設(shè)漂浮式水上光伏電站、在水庫(kù)上風(fēng)區(qū)建設(shè)漂浮式水上光伏電站及在水庫(kù)中間建設(shè)漂浮式水上光伏電站這3種情況下水庫(kù)的水位和風(fēng)生流場(chǎng)情況，解析了漂浮式水上光伏電站對(duì)湖庫(kù)風(fēng)生流的作用機(jī)理，得出以下結(jié)論：

1)在水庫(kù)未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)，由于風(fēng)場(chǎng)作用，整個(gè)水庫(kù)存在輕度壅水的情況，下風(fēng)區(qū)的水位偏高；由于水庫(kù)表層風(fēng)向?yàn)槲髂掀巷L(fēng)，因此整個(gè)庫(kù)區(qū)的水流在垂向剖面上呈現(xiàn)一個(gè)從上風(fēng)區(qū)流向下風(fēng)區(qū)的順時(shí)針環(huán)流。

2)當(dāng)水庫(kù)上風(fēng)區(qū)建設(shè)有漂浮式水上光伏電站時(shí)，水庫(kù)的壅水現(xiàn)象主要出現(xiàn)在水庫(kù)的下風(fēng)區(qū)，相較于未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)，下風(fēng)區(qū)與上風(fēng)區(qū)的水位差偏??；從水庫(kù)的平面流場(chǎng)來(lái)看，由于上風(fēng)區(qū)建設(shè)有漂浮式水上光伏電站，因此水流的流向呈順時(shí)針?lè)较?；從垂向剖面?lái)看，上風(fēng)區(qū)的水流流速較小，下風(fēng)區(qū)的水流流速較大；環(huán)流主要出現(xiàn)在水庫(kù)的下風(fēng)區(qū)。

3)當(dāng)水庫(kù)中間建設(shè)有漂浮式水上光伏電站時(shí)，水庫(kù)中間區(qū)域的水位變化不大；但上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的水位變化較為明顯，不過(guò)二者的水位差相較于未建設(shè)漂浮式水上光伏電站時(shí)的偏小。從水庫(kù)的平面流場(chǎng)來(lái)看，由于水庫(kù)中間區(qū)域不受風(fēng)場(chǎng)的作用，因此水庫(kù)西側(cè)的水流呈一個(gè)順時(shí)針環(huán)流，東側(cè)的水流呈一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流。從垂向剖面來(lái)看，電站下方的下層流場(chǎng)受水庫(kù)上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)水流的共同作用，呈現(xiàn)一個(gè)明顯的水流向上風(fēng)區(qū)流動(dòng)的趨勢(shì)，電站下方的上層水流則受到流向下風(fēng)區(qū)的水流的推力和下層水流流向上風(fēng)區(qū)的剪切力，這2個(gè)水流方向并存。

該研究成果揭示了漂浮式水上光伏電站對(duì)湖庫(kù)風(fēng)生流的作用機(jī)理，為漂浮式水上光伏電站項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和湖庫(kù)生態(tài)管理提供了科學(xué)依據(jù)。