一種帶有浮體下水防擠拉功能的水上光伏浮體陣列的研制

葉 筱， 蔣克勇， 徐 雯， 孫瑞松， 張前雄

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院， 安徽 合肥 230601;2.中國能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司華東分公司， 安徽 合肥 230601)

1 問題提出

“潘集區(qū)某采煤沉陷區(qū)150 MW水面光伏電站項(xiàng)目”位于安徽省淮南市潘集區(qū)采煤沉陷區(qū)，全部采用浮體安裝，是當(dāng)時全球最大的水上漂浮光伏發(fā)電項(xiàng)目。施工過程中，將雙玻組件安裝在浮體上一段時間后，前后31塊組件發(fā)生浮體擠拉沖撞損壞的情況，無獨(dú)有偶，淮南某漁場200 MW“漁光互補(bǔ)”光伏發(fā)電項(xiàng)目也發(fā)生此情況，前后損壞21塊組件。因此，研制一種具有緩沖功能，防止擠拉造成組件損壞的浮體，具有重要意義。

基于以上問題，本文將在不對浮體作較大結(jié)構(gòu)變動的基礎(chǔ)上，將改進(jìn)目標(biāo)對準(zhǔn)浮體之間的連接結(jié)構(gòu)。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

水上光伏電站[1]是利用水上浮體將光伏組件[2]漂浮在水面進(jìn)行發(fā)電。特點(diǎn)在于不占用土地資源，水體對光伏組件有冷卻效應(yīng)，可以抑制組件表面溫度上升，從而獲得更高的發(fā)電量。此外，將太陽能電池板覆蓋在水面上，還可以減少水面蒸發(fā)量，抑制藻類繁殖，保護(hù)水資源。

浮體[3]是水上漂浮光伏電站的重要組成部分，目前使用的浮體之間是通過鋼構(gòu)連桿連接，硬度較高，但不具有緩沖性能，當(dāng)水面波動較大時，由于浮體隨水流漂動[4]，浮體間相互擠拉沖撞，從而造成光伏組件的損壞，尤其是雙玻組件，更容易受損。跟蹤已建成的水上光伏電站及在建項(xiàng)目，作者記錄了造成組件損壞的多種原因，其中占比最高的就是組件間互相的碰撞，因此作者根據(jù)光伏項(xiàng)目特性提出了若干解決方案。

3 方案設(shè)計(jì)與選擇

3.1 提出方案

針對以上分析，有針對性提出了“人”型緩沖結(jié)構(gòu)、“緩沖窗”結(jié)構(gòu)和“限位盒”結(jié)構(gòu)三種不同的電纜施工裝置，具體方案見表1所示：

表1 總體方案選擇表

續(xù)表

三種方案都可以實(shí)現(xiàn)光伏浮體防擠拉。“人”型緩沖結(jié)構(gòu)方案對組件保護(hù)效果較好，但現(xiàn)場需要安裝的配件較多；“緩沖窗”結(jié)構(gòu)方案制作成本較低，安裝時間及人工投入少，但緩沖效果不好，對組件的保護(hù)效果差；“限位盒”結(jié)構(gòu)方案對組件保護(hù)效果好，加工成本、安裝投入的時間和人工都相對合適。因此，項(xiàng)目最終選用“限位盒”結(jié)構(gòu)作為帶有下水防擠拉功能的水面光伏浮體陣列軟連接的總體方案。

3.1.1 材質(zhì)選擇

為防止不同金屬材料接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，連桿、限位盒、螺栓等相互接觸的結(jié)構(gòu)體選擇一樣的材質(zhì)，一般常用的有碳素鋼、合金鋼、鍍鋅鋼、不銹鋼等，由于在水面使用，使用環(huán)境潮濕，且考慮到鍍鋅層容易磨掉，選擇具有防腐蝕功能的不銹鋼，不銹鋼常用的304鋼和316鋼，具體參數(shù)對比如表2所示。在耐腐蝕性都滿足的條件下，304鋼價格低，抗拉強(qiáng)度高，具有較高的性價比，故選用304不銹鋼。

表2 不銹鋼型號方案比選表

3.1.2 螺栓的直徑及長度確定

螺栓的直徑應(yīng)考慮浮體受到擠拉時，螺栓受到的剪力、擠壓力。根據(jù)長期水面光伏工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，浮體在水面漂動時，浮體間的擠拉力一般為15～20 kN，經(jīng)過比選，項(xiàng)目選擇20 kN設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行分析論證,具體材質(zhì)及參數(shù)選取如表3。

表3 材質(zhì)及參數(shù)選取表

由CECS-2015，《不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[5]公式6.2.2-5條

(1)

代入公式，得d≥10.2 mm,取d=13 mm;

由CECS-2015，《不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式6.2.2- 6條

(2)

代入公式，得t≥4.1 mm,取t=5 mm。

綜上，文章確定定位孔直徑13 mm，厚度5 mm，考慮到螺栓要預(yù)留螺母，螺栓長度設(shè)置為35 mm，直徑與孔徑預(yù)留1 mm余量，取12 mm。

3.1.3 限位窗中彈簧設(shè)計(jì)

如圖1，圓柱螺旋彈簧的主要尺寸有：彈簧絲直徑d、彈簧圈中徑D2(外徑D和內(nèi)徑D1的均值)、自由長度H0等。彈簧設(shè)計(jì)中，旋繞比(或稱彈簧指數(shù))C是最重要的參數(shù)之一。C=D2/d，彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力相差愈大，材料利用率低；反之彈簧愈軟。常用彈簧指數(shù)的選取參見表4。上一節(jié)計(jì)算出螺栓直徑為12 mm，由于限位窗中螺栓與彈簧配合使用，此處設(shè)計(jì)彈簧外徑13 mm，內(nèi)徑11 mm，中徑12 mm，彈簧絲直徑1 mm，彈簧旋繞比12，原長30 mm，8圈。

圖1 彈簧示意圖

表4 常用彈簧指數(shù)表

3.1.4 限位窗其他尺寸設(shè)計(jì)的確定

項(xiàng)目根據(jù)方案選擇結(jié)果，確定限位窗的其他尺寸如下。

1)限位窗的長：

彈簧原長30 mm×2+螺栓直徑12 mm+余量1 mm=73 mm

(3)

2)限位窗的寬：

(彈簧外徑13 mm+余量2 mm)×3=45 mm

(4)

3)限位窗的厚度：由彈簧外徑提資，并加1 mm余量，取14 mm；

4)滾珠設(shè)計(jì)為直徑8 mm的304不銹鋼滾珠，上下各開6個直徑為6 mm的孔放置6個滾珠；

5)板彈簧的長軸：

限位窗長73 mm-余量1 mm=72 mm

(5)

6)板彈簧的短軸：

(6)

取12 mm。

3.1.5 限位盒尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表11.5.2螺栓或鉚釘?shù)目拙?、邊距和端距容許值，可得孔中心到邊距距離為：

min{4d0,8t}=min(4×12 mm,8×5 mm)=40 mm

(7)

綜上，確定了限位盒的最終尺寸：

長×寬×厚=153 mm×80 mm×14 mm

(8)

3.1.6 連桿設(shè)計(jì)

連桿基礎(chǔ)尺寸由GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表11.5.2螺栓或鉚釘?shù)目拙?、邊距和端距容許值確定，確定尺寸：

連桿寬80 mm，由于限位盒長153 mm，考慮到浮體之間的間隔設(shè)計(jì)為200 mm。

3.2 確定最佳方案

根據(jù)各級方案選擇結(jié)果，確定最佳方案，方案詳解如下：

1)裝置材質(zhì)選用304不銹鋼；

2)連桿基礎(chǔ)尺寸選用寬度為80 mm，間隔設(shè)計(jì)為200 mm，鋼孔孔徑13 mm；

3)限位盒長寬厚分別為：153 mm、80 mm、14 mm；

4)連接螺栓長度為35 mm，直徑為12 mm。

4 總結(jié)

水上光伏項(xiàng)目因其技術(shù)的難度大，對高效節(jié)能新技術(shù)的需求逐步增長，水上光伏電站帶有浮體下水防擠拉功能的浮體陣列的研制，填補(bǔ)了此項(xiàng)技術(shù)在新能源行業(yè)的空白。該裝置的運(yùn)用，降低了水上光伏項(xiàng)目的施工成本，有效提高了電站的經(jīng)濟(jì)性。

4.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

本裝置的成功應(yīng)用，杜絕了浮體擠拉沖撞損壞組件的情況發(fā)生，半年內(nèi)為潘集區(qū)項(xiàng)目節(jié)約31塊組件21 700元，漁場項(xiàng)目節(jié)約21塊組件14 700元。

4.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

1)由于改善了光伏組件的損壞情況，避免了更換組件造成的人工費(fèi)用；

2)避免了因組件損壞，導(dǎo)致發(fā)電量減少的情況，增加了發(fā)電量，提高了業(yè)主單位發(fā)電收益。

4.3 技術(shù)效益

此項(xiàng)新裝置的研制及推廣過程中，項(xiàng)目組開展了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，編寫了浮體陣列安裝說明書。