CN103856151B - 长廊式道路风光能复合电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长廊式道路风光能复合电站，其属于新能源开发应用领域。发明了建造集中式风光能电站的新方法，主要是应用钢架平台能够承重并具有跨越地面构建物的能力，在其上建造太阳能光伏电站以及风力发电场，以达到充分利用道路等地面永久构建物闲置而充沛的太阳能及风能发电的目的。特征是：以风力发电机塔架为主要支撑，辅以钢梁管柱，组合固定成为钢架平台，多个相邻钢架平台共同构成长廊形钢架平台，在钢架平台上安装太阳能光伏组件阵列，在塔架上安装中小型风力发电机，而由汇流控制器、逆变器等设备整合组成的电流控制箱也可安放在钢架平台上。电站所发电力可为电网或邻近负荷供电，同时，本发明还能起到保护道路和行车安全的功能。

Description

长廊式道路风光能复合电站

技术领域

本发明属于新能源开发应用领域，发明了将风电场与太阳能光伏电站共同设计建造的新方法，特别适用于公路、铁路、停车场等固定地面构建物的立体开发综合利用，为在土地紧缺而太阳能、风能充沛的地区大规模集中式开发太阳能、风能发明了一种长廊式道路风光能复合电站。

背景技术

化石能源不断枯竭与环境日益恶化已成为制约我国经济与社会发展的重要瓶颈问题。在能源安全形势不容乐观的同时，我国的环境污染也令人堪忧，各种主要污染物排放总量直逼环境的承载极限，尤其是与电力工业密切相关的空气质量各项指标都出现了不同程度的恶化。为解决这些问题，除了广泛开展节约用能与提高化石能源利用率外，大规模开发可再生的新能源成为我国能源发展的重要选择与必然趋势。太阳能、风能虽然具有清洁、安全、广泛、充足、免维护等优点，有着巨大的开发潜，但是太阳能与风能的开发也存在一些迫切需要克服的障碍，其中之一就是能量分布密度小，开发往往需要占用巨大面积，而土地征用则给电站建设带来极大的成本压力，尤其是东南沿海经济发达地区更是如此。而在征地压力相对宽松中西部建设集中式的太阳能发电站、风电场，就面临并网难、远距离输电成本高、损耗大等难题。就近建设的分布式风电场、光伏电站也存在规模偏小，配套设施重复建设，导致投资巨大，发电成本偏高的问题。因此，研究探索风能、太阳能等新能源开发利用的新方法，克服以上这些困难和矛盾，在进一步改善环境的同时，对于改变我国新能源开发，尤其是东南沿海发达地区新能源开发在整个能源格局中的比重，具有战略意义。

发明内容

本发明旨在避免上述太阳能、风能发电技术存在的缺点和不足之处，而提供一种长廊式道路风光能复合电站。它的设计结构简单，科学合理，其利用钢架平台将风电场和太阳能光伏电站集成一体，将各种道路等地面构建物固有而闲置的太阳能、风能综合利用用于发电。这大大节约了集中式规模化开发新能源而占用的土地资源，为东南沿海土地紧缺而风能、太阳能充沛地区更好地开发利用新能源提供了新的方法。

本发明的目的是采用如下技术方案实现的：所述的长廊式道路风光能复合电站，包括长廊钢架平台、光伏发电组件阵列、风力发电机组、电流控制箱、路面保护及雨水收集装置。特殊情况下，也可不安装风力发电机组而成为单纯的太阳能光伏电站。

其特征在于：

所述的长廊钢架平台为多组单门式、双门式或多门式钢架平台结构联合组成。其以风力发电机下塔架、辅支撑柱为钢架平台两侧主要支撑结构，以主、辅横跨梁连接钢架平台两侧之风机塔架及辅支撑柱，以主连接梁和辅连接梁连接相邻两组门式钢架以组成平台状钢架结构，平台上主、辅连接梁之间有多根檩条相连，当钢架平台跨度较大时，可布置托架梁或托架。各风机塔架及辅支撑柱与地面由混凝土钢制预埋件连接固定，多个相邻钢架平台连接组合成为长廊状钢架平台结构。在风机塔架、辅支撑柱的周围可安装防撞栏，以防止意外撞击对平台支撑结构的损害。平台钢架结构的主、辅横跨梁和主、辅连接梁可用等截面或变截面的焊接H型钢或管状钢制作，檩条构件可以采用C型冷弯卷边槽钢，在钢梁和檩条的适当部位预留太阳能光伏组件板的固定安装孔，长廊钢架平台的钢构件一般采用Q235或Q345钢。长廊钢架平台的建造可在工厂制作各种钢结构预制件，在施工现场用螺栓或焊接等方法拼接安装而成。

所述的太阳能光伏组件阵列，为多组板状组件。根据长廊钢架平台的跨度、钢梁檩条的分布状况及安装固定孔的位置，通过工厂设计定制大小适合的太阳能光伏组件板，可将板状太阳能光伏组件直接铺设固定于长廊钢架平台的顶部呈屋顶状。或者在不考虑对路面保护，也可以另外安装地面保护板的情况下，根据最佳太阳倾角，将板状太阳能光伏组件通过基座安装于长廊钢架平台横跨梁或檩条之上，形成太阳能光伏组件阵列。将多组串或并联之光伏组件电源输出线汇集于电流控制箱，通过直流汇集器、逆变器及配电柜将电流输送至电网或电力负荷。所述板状太阳能光伏组件可采用我国业已成熟的多晶硅光伏组件或根据投资的额度以及实际需要也可选用更高效能的单晶硅光伏组件。

所述之风力发电机组，由上部塔架、风力发电机、桨叶组成。上塔架树立安装固定在下塔架顶端的外法兰上，在上塔架的顶端固定安装风力发电机和桨叶。风力发电机在需要控制噪音的地段可选用垂直轴风力发电机，不需要严格控制噪音的地方可采用水平轴风力发电机。就风力发电机的选择而言，应由当地的年平均风速、最低月平均风速、无有效风速期时间的长短计算出风力发电机组的最佳功率；由年内最低的月平均风速，参考选择风力发电机组的额定风速；由最佳功率、额定风速等指标来选用合适的风力发电机组。一般而言，综合各方面情况，以选用5千瓦-100千瓦的中小型风力发电机组为佳。风力发电机组将风能转换成电能，通过电缆将电流输送至电流控制箱中的汇流控制器、配电柜再输入电网或用电负荷。

所述之电流控制箱，由交、直流汇流器、交、直流配电柜、逆变器等组成，可安装于长廊钢架平台的适当部位。正常工作情况下，风力发电部分和光伏发电部分可以独立工作，也可以同时工作，对用电负荷或电网供电。

所述之地面保护与雨水收集装置，由塑料或金属面板、集水槽、落水管、储水箱、输水管等构成，安装于长廊钢架平台的相应位置。

所述之特殊情况，即在某些路段风力匮乏而阳光充沛，长廊钢架平台的主要支撑柱可以被辅支撑柱所替代，不安装风力发电机组及相应的设备，而其他结构不变，使之成为单纯的长廊式道路光伏电站。

本发明的原理和使用方法分述于下：

本发明依据结构工程学和风光能发电的原理，利用风力发电机钢制塔架的良好支撑性能以及横跨梁、连接梁等钢架结构的较大跨越空间的能力，依顺道路等地面构建物建起长廊钢架平台，为太阳能光伏组件阵列和风力发电机组提供了很好的支撑，很好地解决了集中式风光能电站建设所面临的多种问题。一是土地的占用问题：将发电站建设与地面已有的公路等构建物很好地结合，不占用另外的土地；公路等交通设施所占土地为国家所有，无动拆迁的障碍。二是投资的效率问题：建造钢架平台的费用，相对于太阳能风能发电站的巨额投资来说不算巨大；以风机塔架为钢架平台主要支撑柱，节省了材料；干线公路等适宜建设之地往往靠近城市等发达地区，所发电力可以就近使用，减少了电力损耗，也大大减少了建设昂贵的高压电力传输设备的费用；风电、光电的变压传输设备可以通用，减少了重复建设和投资。三是建造维护的便利问题：建造场地位于道路，交通极为便利，为建造和维护提供了方便；使用钢结构如C、H型钢及各种无缝钢管组成钢架平台，可以实现工厂规模化生产，现场拼装，大大缩短施工周期和施工的复杂程度。四是资源的利用问题：将风能与光能同时开发，弥补了风电和光电独立开发在资源上的缺陷和浪费，提高能量利用率；同时，钢架平台成为了风机塔架的基础，具有更好的稳定性，提高了抗击超速风的能力；另外架设在离地面更高的空中的风机具有更高的效能，提高了风能利用率。五是地面构建物的保护问题：可以加装雨水收集及路面保护装置，包括覆盖面板、集水槽、集水管、储水池等。可以起到对路面的保护，减少曝晒冰冻雨雪对公路的影响，节省公路养护费用；保持路面的干燥，减少天雨路滑带来的车辆事故隐患；对进行雨水的收集和储存，为公路沿线提供品质优良的原水。

以本发明在等级公路上实施为例：

选址：选择相对平坦、无遮阳物阻挡以及常年地面风力较大的公路，对公路沿线附近气象条件进行现场勘查和历史数据收集；对平均太阳总辐射量，日照时数以及最大风速、年平均风速等进行测量；对公路的宽度、平整度、两侧地基情况进行勘测；依据所取得的以上基础数据，对本发明实施方案进行具体应用设计。

设计：一是根据极端风力和常年积雪厚度以及太阳能组件等重力负荷，以及跨越公路宽度等数据选择单门、双门或多门平台结构，设计横跨梁、连接梁、檩条、辅助支撑柱的大小。二是考虑到钢结构件热胀冷缩的关系，长廊钢架平台连续建造的长度以不超过300米为佳，更长的建造长度设计中应安排伸缩间隔。三是根据风力气象数据决定所采用的风力发电机的最大容量，风叶直径，并以此为基础计算塔架直径、安装密度和高度。四是根据有效太阳照射面积以及投资额度设计选择太阳能组件以及太阳能阵列的安装方式。五是根据复合电站风力发电机组和太阳能组件的发电量各种数据来决定交、直流汇流器、交直流配电柜、逆变器的设计选择。六是根据保路、防雨、用水及采光的要求设计地面保护及雨水收集装置。

准备：根据设计需要的长廊钢架平台高度、长度和宽度，可在工厂生产出相应的各种钢结构件，钢构件一般采用Q235或Q345，主、辅横跨梁及主辅连接梁以等截面或变截面的焊接H型钢及管型钢为主，檩条构件采用C型冷弯卷边槽钢为好；准备好合适的风力发电机以及配套的塔架；准备好所需的太阳能组件板以及电流控制箱、雨水收集装置等附属设备。

安装：根据设计和规划，首先，在公路两侧适当的地方用给风力发电机塔架浇注基础的方法，打牢混凝土基础并埋设钢结构预制件，在其上安放风机下塔架并用高强度螺栓固定；在道路对应两侧的风机下塔架顶端安放特制外法兰，两相邻塔架之间架设主横跨梁用高强度螺栓固定于外法兰上；在两组风机下塔架之间，根据风机间隔距离的需要，用类似建造钢结构厂房支撑梁的方式打牢混凝土基础并埋设钢结构预制件，其上树立并固定辅支撑柱；以管状或H状钢结构件为辅横跨梁连接两侧辅支撑柱；在下塔架外法兰和辅支撑柱的顶端安装固定主连接梁；在主横跨梁、辅横跨梁之间安装固定和连接梁；在主辅连接梁之间安装檩条；这些结构共同组成钢架平台。单组钢架平台外观可为单门式、双门式或多门式，多组钢架平台联合组成长廊钢架平台。以上各钢结构部件均可以在现场用高强度螺栓或焊接拼接安装，在平台跨度较大时，可布置托梁，必要时还可配以相应的拉杆、扣件增强结构牢度。其次，将上部塔架、风力发电机、桨叶依次吊放固定于下塔架顶端的外法兰上。将板状光伏组件阵列直接固定铺设于长廊钢架平台的顶部呈屋顶状，也可根据最佳太阳倾角，将光伏组件阵列安装于长廊钢架平台横跨梁或檩条之上。将多组串或并联之光伏组件以及风力发电机电源输出线汇集于电流控制箱。再次，将由交、直流汇流器、交直流配电柜、逆变器整合组成电流控制箱，安装于长廊钢架平台适当部位。最后，在长廊钢架平台上安装防雨板同时架设集水槽等雨水收集装置，在钢架平台下缘及支撑柱上架设指示牌、信号灯、监控设备以及照明设施。如大规模建设长廊式道路风光能电站，可于道路中段相应地点设立电站中心控制室，以利电站的监控与维护。

运行：具有运行稳定、设备基本无需维护、无后续能源消耗的特点。据初步测算每公里的道路实施本发明后，至少可建4WM光伏电站和3MW风力发电站，每年可发电1000万千瓦·时以上。这相当于燃烧3500吨标准煤的火力电厂的发电量，同时可以减排二氧化碳10000吨、二氧化硫近100吨、粉尘750吨，其保护环境的效果相当于种植500亩森林每年所吸纳的CO2和释放的O2的量。

附图说明

本发明共有七幅附图。其中：

附图1是本发明的具体实施方法的节段主视结构示意图；

附图2是本发明的具体实施方法的节段钢架平台俯视图；

附图3是本发明的具体实施方法的节段俯视图；

附图4是本发明的具体实施方法的节段侧视图；

附图5是附图1中沿A·A线的剖视图；

附图6是附图1中沿B·B线的剖视图；

附图7是本发明的具体实施方法长廊全景示意图。

图中：1、主支撑柱(下塔架)，2、辅支撑柱，3、车行道，4、人行道，5、混凝土基础及钢制预埋件，6、主横跨梁，7、辅横跨梁，8、主连接梁，9、辅连接梁，10、檩条，11、托梁，12、车辆，13、外法兰，14、上塔架，15、风力发电机，16、桨叶，17、太阳能光伏组件阵列，18、工作通道，19、护栏，20、集水槽，21、防撞栏，22、电流控制箱平台，23、电流控制箱，24、楼梯，25、电流输出线缆。

具体实施方式

图1、2、3、4、5、6、所示是本发明的具体实施方法，它的外形尺寸约高*宽*长为7*30*20米，仅为建造长度可以不限的长廊式道路风光复合电站的一段；它的结构特点包括钢架平台、风力发电机组、太阳能光伏组件阵列以及与之相配套的电流控制箱，其特征在于：主支撑柱(风机下塔架)1、辅支撑柱2依次树立并固定于车行道3两旁人行道4上的混凝土基础及钢制预埋件5上构成钢架平台基础支撑结构。由主横跨梁6横跨车行道3上方连接道路两侧的主支撑柱(风机下塔架)1与外法兰13相连接，同样，辅横跨梁7横跨车行道3上方连接道路两侧的辅支撑柱2上，相邻的主支柱(风机下塔架)1、辅支柱2由主连接梁8连接，相邻的主横跨梁6和辅横跨梁7由辅连接梁9连接，相邻主连接梁8和辅连接梁9之间架设檩条10，主横跨梁6及辅横跨梁7跨度较大时可加装托梁11，上述结构共同构成长廊钢架平台结构如附图2所示，其下车辆12可正常通行。在主支撑柱1(风机下塔架)顶端外法兰13上固定安装风机上塔架14，其顶端安装风力发电机15及桨叶16，在长廊钢架平台的顶面安装固定太阳能光伏组件阵列17，在主连接梁8之上两侧的太阳能光伏组件阵列之间设置工作通道18，在长廊钢架平台的两侧边缘安装护栏19和集水槽20，在主支撑柱1、辅支撑柱2的底部周围安装防撞栏21，在辅支撑柱2中上部架设电流控制箱平台22，其上安放电流控制箱23，在辅支撑柱上架设上下楼梯24，复合电站所发电力通过电流输出线缆25就近接入电网或用电负荷。

图7所示是本发明应用于道路时的长廊状全景示意图。

以上所述，仅为本发明的较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种长廊式道路风光能复合电站，包括长廊钢架平台，风力发电机组(14、15、16)，太阳能光伏组件阵列(17)，电流控制箱(23)，附设地面保护和雨水收集装置(20)；其特征在于：在车行道(3)地面构建物两侧，以中小型风力发电机下塔架(1)为长廊钢架平台的主要支撑柱，在下塔架(1)顶部安装外法兰(13)并架设主横跨梁(6)与邻近的风力发电机下塔架(1)顶部外法兰(13)以高强度螺栓固定连接，在相邻的主横跨梁(6)、辅横跨梁(7)之间架设主连接梁(8)、辅连接梁(9)并牢固固定形成长廊钢架平台结构；在长廊钢架平台结构上架设太阳能光伏组件阵列(17)，在外法兰(13)上安装上塔架(14)，在上塔架(14)顶端固定安放风力发电机(15)；在长廊钢架平台的适当部位安放电流控制箱(23)，汇集转化风力发电机(15)和太阳能光伏组件阵列(17)所发电力并通过电流输出线缆(25)将电能传输给电网或电力负荷；上述各部分共同组成长廊式道路风光能复合电站。

2.按权利要求1所述的长廊式道路风光能复合电站，其特征在于所述的长廊钢架平台结构为安装架设于道路车行道(3)两侧的多组联合单门式、双门式或三门式钢架平台结构，以风力发电机(15)下塔架(1)为长廊钢架平台两侧主支撑结构，与辅支撑柱(2)共同组成平台支撑结构，以钢结构主横跨梁(6)、辅横跨梁(7)跨越车行道(3)分别连接架设两侧的主支撑柱(1)、辅支撑柱(2)之上，以主连接梁(8)和辅连接梁(9)连接相邻两组主横跨梁(6)、辅横跨梁(7)，主连接梁(8)和辅连接梁(9)之间有多根檩条(10)相连，这些结构共同组成钢架平台，多个相邻钢架平台连接组合成为长廊钢架平台结构；各下塔架(1)及辅支撑柱(2)与混凝土基础及钢制预埋件(5)由高强度螺栓固定；长廊钢架平台主要结构包括横向主横跨梁(6)、辅横跨梁(7)、纵向主连接梁(8)、辅连接梁(9)以及檩条(10)；长廊钢架平台辅助结构包括上下梯(24)、工作通道(18)、护栏(19)；长廊钢架平台的基础支撑体系包括下塔架(1)、外法兰(13)、辅支撑柱(2)、混凝土基础及钢制预埋件(5)。

3.按权利要求1所述的长廊式道路风光能复合电站，其特征在于：整个长廊式道路风光能复合电站依道路(3)、停车场地面构建物的走向，横跨或覆盖地面构建物而连续建造形成长廊状，其长廊钢架平台下方的净空高度完全能够满足道路车辆通行的需要；所述的长廊钢架平台的高度、宽度、长度以及平台顶部的倾斜度，依太阳能光伏组件阵列(17)安装固定的要求和地面构建物车行道(3)的需要而设计建造。

4.按权利要求1所述的长廊式道路风光能复合电站，其特征在于：所述的风力发电机组由上塔架(14)、风力发电机(15)、桨叶(16)组成，并安装于构成长廊钢架平台支撑结构的下塔架(1)顶端外法兰(13)之上；根据控制噪音以及布放密度的需要选择垂直轴型或水平轴型风力发电机；所发电力汇集于电流控制箱(23)。

5.按权利要求1所述的长廊式道路风光能复合电站，其特征在于：其所述的太阳能光伏组件阵列(17)由太阳能光伏板、固定基座和电路连接线组成；将太阳能光伏组件阵列(17)平铺固定于长廊钢架平台之上，或根据本地太阳最佳角度架设固定于长廊钢架平台的钢梁之上。

6.按权利要求1所述的长廊式道路风光能复合电站，其特征在于：所述的电流控制箱(23)，由交、直流汇流器、交、直流配电柜、逆变器组成，整合安放于电流控制箱(23)中，控制箱固定安放在长廊钢架平台辅支撑柱(2)中上部的电流控制箱平台(22)之上，其所汇集的电流可通过电流输出线缆(25)就近接入用电负荷或电网。

7.按权利要求1所述的长廊式道路风光能复合电站，其特征在于：其所述的地面保护与雨水收集装置，由塑料或金属面板、集水槽(20)、落水管、储水箱、输水管构成；安装于长廊钢架平台的太阳能光伏组件阵列(17)周围，收集的雨水为优质中性水，为道路沿线的用户所使用。

8.按权利要求1所述的长廊式道路风光能复合电站，其特征在于：当某些路段风力匮乏而阳光充沛，长廊钢架平台的主支撑柱(1)被辅支撑柱(2)所替代，不安装风力发电机组及相应的设备，而其他结构不变，使之成为单纯光伏发电的长廊式道路风光能复合电站。