由拉索牽引的剛性邊框體系漂浮光伏電站系統(tǒng)

梁 定 益

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 技術(shù)背景

近年來(lái)用于建設(shè)地面光伏發(fā)電站的土地資源日趨緊張，土地資源管控越來(lái)越嚴(yán)。我國(guó)建有87 873座各型水庫(kù)，較多僅為灌溉蓄水養(yǎng)殖使用，江河湖海塘壩水域更廣闊，水域面積占內(nèi)陸4%左右面積，超過(guò)17萬(wàn)km2，并廣泛分布在用電消納地區(qū)。如何有效利用這些水域來(lái)建設(shè)水上漂浮光伏電站，成為光伏界業(yè)內(nèi)迫切解決的問(wèn)題[1,2]。

這兩年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始逐步興建水上漂浮光伏電站，但規(guī)模均較小，且均設(shè)置在靜水區(qū)域，其水位無(wú)變化或變化不大，另外其漂浮體及其之間的聯(lián)結(jié)體形成的整體，并無(wú)邊框結(jié)構(gòu)支撐，在大風(fēng)浪下抗力性能差，且不能適應(yīng)較大的水位變化。本文就如何提供抗風(fēng)浪能力高，且適應(yīng)較大水位變化的水上漂浮光伏電站系統(tǒng)展開(kāi)了分析[3,6]。

2 系統(tǒng)技術(shù)方案

將若干光伏組件串分別鋪設(shè)在若干獨(dú)立的漂浮體上，漂浮體間通過(guò)連接體相互連接，并最終與剛性水平邊框體系連接，形成整體結(jié)構(gòu)體系發(fā)電方陣；所述剛性水平邊框體系由牽引拉索實(shí)時(shí)牽引，牽引拉索通過(guò)水位信號(hào)接收及控制器實(shí)時(shí)控制拉索驅(qū)動(dòng)裝置，從而達(dá)到實(shí)時(shí)牽引所述剛性水平邊框體系的目的。而剛性水平邊框體系由水平鋼結(jié)構(gòu)桁架或水平鋼結(jié)構(gòu)封閉框架構(gòu)成，并由漂浮體支托并漂浮于水面上，圍成整體穩(wěn)定性好的封閉結(jié)構(gòu)體系，從而達(dá)到了抵抗風(fēng)浪沖擊的目的[4,5,7]。

剛性水平邊框由上弦桿、下弦桿、斜腹桿、豎腹桿組成，桿件均采用鍍鋅方鋼管。當(dāng)邊框過(guò)長(zhǎng)時(shí)及邊框角部轉(zhuǎn)接頭處，需要現(xiàn)場(chǎng)拼裝，拼裝處鋼管設(shè)置端頭板及連接螺栓孔，并通過(guò)不銹鋼螺栓連接。

剛性水平邊框上方預(yù)設(shè)緊固連接件，用于固定水位信號(hào)接收及控制器和拉索驅(qū)動(dòng)裝置；拉索驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置位置為剛性水平邊框的四個(gè)角部和四邊中部若干位置，同時(shí)一個(gè)剛性水平邊框上僅設(shè)置一臺(tái)水位信號(hào)接收及控制器，其通過(guò)通信數(shù)據(jù)線纜傳送實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)信號(hào)至拉索驅(qū)動(dòng)裝置，拉索驅(qū)動(dòng)裝置接收到信號(hào)后啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)控制卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)牽引拉索。

光伏組件板采用行列式，組件鋪設(shè)在浮箱上，浮箱與浮箱之間通過(guò)銷(xiāo)釘連接在一起。剛性水平邊框鋪設(shè)在最外圍一圈的浮箱上，且剛性水平邊框的四個(gè)轉(zhuǎn)角拼接在一起，組成一個(gè)剛性體系。剛性水平邊框通過(guò)角鋼與浮箱上預(yù)留的螺栓連接。

牽引拉索一端與剛性水平邊框連接，另一端通過(guò)連接鎖具支承于主拉索上，主拉索對(duì)牽引拉索起到固定作用。牽引拉索與水平面的夾角控制在40°～60°之間。主拉索張緊后用連接鎖具連接于固定在岸邊的塔架上。

塔架設(shè)立在岸邊，塔架由塔架基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)組成，塔架基礎(chǔ)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘情況采用天然獨(dú)立基礎(chǔ)或者樁基，上部鋼結(jié)構(gòu)采用三柱或四柱鋼管，通過(guò)法蘭連接。

3 系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)

圖1為拉索實(shí)時(shí)牽引的剛性水平邊框體系的工作原理圖。該系統(tǒng)的工作原理為：水位監(jiān)測(cè)傳感器感應(yīng)水位變化，并將信號(hào)傳輸給水位信號(hào)接收控制器，并反饋給拉索驅(qū)動(dòng)裝置，拉索驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)牽引牽引拉索從而使得剛性水平邊框能夠適應(yīng)水位的變化。牽引拉索固定在主拉索上，主拉索張緊后固定在岸邊的塔架上。

圖2為拉索實(shí)時(shí)牽引的剛性水平邊框體系水上漂浮光伏電站系統(tǒng)平面圖。主要包括光伏組件板1，用于鋪設(shè)組件的浮箱2，用于檢修的浮箱3，剛性水平邊框4，用于鋪設(shè)剛性水平邊框的浮箱5，牽引拉索6，用于固定牽引拉索的主拉索7，用于固定主拉索的塔架8，水位接收控制器9，拉索驅(qū)動(dòng)裝置10，卷?yè)P(yáng)機(jī)11。光伏組件板1采用行列式鋪設(shè)在浮箱2上，浮箱2與浮箱3通過(guò)銷(xiāo)釘連接在一起，剛性水平邊框4鋪設(shè)在浮箱5上。圖2上下兩端的浮箱5和浮箱2通過(guò)銷(xiāo)釘連接在一起，左右兩端的浮箱5和浮箱2、浮箱3通過(guò)鋼絞線連接在一起。通過(guò)以上的措施，剛性水平邊框與光伏陣列組成一個(gè)穩(wěn)定的剛性體系。

如圖2所示，一個(gè)剛性水平邊框上僅設(shè)置一臺(tái)水位信號(hào)接收控制器9，拉索驅(qū)動(dòng)裝置10設(shè)置在剛性水平邊框的四個(gè)角部和四邊中部若干位置，牽引拉索6連接剛性水平邊框的四個(gè)角部和四邊中部若干位置。剛性水平邊框4的角部轉(zhuǎn)接頭以及中部搭接，需要現(xiàn)場(chǎng)拼裝，拼裝處鋼管設(shè)置端頭板及連接螺栓孔，并通過(guò)不銹鋼螺栓連接。

圖3為剛性水平邊框的大樣圖。圖3所示意的剛性水平邊框?yàn)殇撹旒?，也可以考慮使用鋼框架。主要包括：上弦桿12，下弦桿13，斜腹桿14，豎腹桿15，連接角鋼16，鍍鋅鋼板17。用于鋪設(shè)鋼桁架的浮箱5頂部預(yù)設(shè)8個(gè)不銹鋼螺栓，通過(guò)連接角鋼16與鋼桁架的上弦桿12以及下弦桿13固定在一起。每個(gè)連接角鋼16上有2個(gè)～3個(gè)不銹鋼螺栓固定。

圖4為圖3的剖面圖。上弦桿12、下弦桿13、斜腹桿14、豎腹桿15均采用鍍鋅方鋼管。在上弦桿12和下弦桿13頂部鋪設(shè)鍍鋅鋼板17，主要用于檢修通道，同時(shí)可以擺放拉索驅(qū)動(dòng)裝置和卷?yè)P(yáng)機(jī)以及其他設(shè)備。

圖5為塔架示意圖。主拉索7張緊后用連接鎖具連接于固定在岸邊的塔架8上。塔架8采用三柱或四柱鋼管，塔架基礎(chǔ)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況采用天然獨(dú)立基礎(chǔ)或者樁基。牽引拉索6的一端固定在剛性水平邊框4上，另一端通過(guò)連接鎖具與主拉索7連接，牽引拉索6與水平面的夾角控制在40°～60°之間。

該光伏系統(tǒng)的匯流箱可以設(shè)置在浮體上，逆變箱變?cè)O(shè)備設(shè)置在岸邊。電纜可以通過(guò)浮體連接每個(gè)組串和匯流箱，最后通過(guò)浮體連接到岸邊的箱變逆變。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了如何利用剛性水平邊框與浮體的可靠連接，形成一個(gè)穩(wěn)定可靠的剛性體系來(lái)抵抗風(fēng)浪，從而能夠提高水面光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全與可靠性。另外，本文還提供了在水位變化的情況下，如何通過(guò)控制器、拉索驅(qū)動(dòng)裝置、卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)控制牽引拉索使得該體系能夠適應(yīng)水位的變化。上述系統(tǒng)方案中的兩大優(yōu)勢(shì)，能夠使水面電站更廣泛的適用在水位變化較大、流動(dòng)性水域中，對(duì)光伏發(fā)電選址要求降低，大大擴(kuò)展了水面電站的建設(shè)范圍。