CN105119558B - 一种模块化水上光伏阵列及其电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在水面上使用的模块化光伏阵列及其电站，属于太阳能光伏技术领域。一种模块化水上光伏阵列，在浮体上预设安装太阳能电池组件的连接机构，该连接机构包括X、Y和Z三个方向的连接件，可使太阳能电池组件在陆地上快速模块化安装，而且Z方向上的连接件既可以作为太阳能电池组件的支架，其支撑杆为中空结构可以用于放置太阳能电池组件的导电线缆，可根据需要通过调整支架中的转接件调节太阳能电池组件受光面的角度，结构简单，使用灵活，适用性强，可在陆地模块化安装成一整体后再放入水中，避免水中安装难度，省时、省力，浮体彼此不会碰撞。

Description

一种模块化水上光伏阵列及其电站

技术领域

本发明涉及一种在水面上使用的模块化光伏阵列及其电站，属于太阳能光伏技术领域。

背景技术

光伏发电系统目前主要是安装在陆地上，只有很少部分安装在水面，但陆地安装和水面安装相比有三个不利情况：一是陆地面积有限，而水域面积广阔；二是陆地的灰尘较大，往往很快就使太阳能电池板表面落上灰尘，影响转化效率，而海面相对较干净；三是陆地温度很高，温度升高会使转化效率降低，而水面安装温度较低，有利于保证转化效率不会因温度升高而降低。但是为什么目前水上安装还是很少部分，主要有两个原因：一是因为水面是浮动的，在水面上如何固定安装太阳能电池组件，太阳能电池组件的安装稳定性是问题；二是水上安装操作起来比地面困难，如何解决这个问题，中国专利申请号201310048961.5《一种水上太阳能电池组件承载单元方阵及使用其的发电系统》是在水面上放置浮动平台，浮动平台为桶状物，将太阳能电池板直接放置在浮动平台上，浮动平台之间相互配合，由钢缆穿过相互配合的浮动平台结合部并固定在边缘，但由于浮动平台彼此之间相互接触，在水面波动时，浮动平台彼此会发生碰撞影响，因此需要在浮动平台之间增加缓冲垫，造成结构复杂；中国专利号201420847727.9《一种整体式水上光伏系统》采用卡箍将悬浮装置（相当于浮动平台）固定在太阳能电池板的固定支架上，悬浮装置为管状物，解决了浮动平台彼此之间的碰撞问题，但卡箍固定存在着牢固性的问题，长久浸泡在水中会出现失效问题，使浮动平台脱离太阳能电池组件支架，造成太阳能电池组件沉入水中的危险，同时也不易形成模块化安装，同样造成安装困难。

发明内容

本发明的目的就是要解决水上安装太阳能太阳能电池组件的模块化以及其牢固可靠性等技术问题，用于水上大型光伏电站。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种模块化水上光伏阵列，由多块太阳能电池组件构成的光伏阵列安装在浮体上，主要技术特点是浮体上预设有安装太阳能电池组件的连接机构，该连接机构包括X、Y和Z三个方向的连接件，其中Z方向的连接件是主要由支撑杆、转接件和锁紧件组成的支架，太阳能电池组件由所述支架安装在浮体上构成光伏模块，相邻光伏模块由浮体上预设的X和Y方向的连接件连接，形成水上光伏阵列。

浮体的边缘设有带安装孔的支耳，且浮体上预设的X和Y方向的连接件为螺纹、锁链和/或销联接件，Z方向的支撑杆为空心杆，其内敷设连接太阳能电池组件的导电线缆。

太阳能电池组件的导电缆装进防水管里，增加使用的可靠性。

光伏模块通过绳索固定在水底面的固定桩上。

浮体的上表面有防滑波纹，下表面设有平衡凹槽，浮体边缘还设有太阳能电池组件的接线槽。

浮体上预设的X和Y方向的连接件与固定梁连接，相邻光伏模块通过固定梁连接成水上光伏阵列，固定梁内设置有放太阳能电池组件导电线缆的接线槽。浮体边缘的支耳可以直接与固定梁用螺栓连接。浮体的支耳可以是分开设置，也可以为一整条。安装在浮体上的固定梁为C形钢或其它可螺栓连接的型材，包括有横向固定梁和纵向固定梁，横向固定梁和纵向固定梁通过螺栓连接。

浮体Z方向的连接件中的锁紧件由压块与锁紧片构成，太阳能电池组件固定在压块和锁紧片之间，锁紧片由转接件连接支撑杆，通过转接件调节太阳能电池组件的受光角度。

浮体可以是空心封闭式浮筒也可以是实心浮块，材料为塑胶或其它浮力好的材料。

转接件为侧面是三角形的折边凹型槽钢,锁紧片固定在转接件的凹型槽内，由转接件调整太阳能电池组件与支撑杆之间的夹角。

转接件和紧锁片均为L形，L形紧锁片的一边与转接件连接，另一边连接压片，该压片呈Z字形，其上安装有太阳能电池组件。

本发明还提供一种具有模块化水上光伏阵列的电站，由多个光伏模块构成的水上光伏阵列通过汇流箱及逆变器接入公共电网，形成水上光伏电站，该电站还设有与互联网连接的监控装置，在线监控水上光伏电站的水位、水质、温度及发电状况。

监控装置包括主机、控制器、环境数据采集器，所述环境数据采集器设有温度传感器、辐照计、水位及水质传感器；控制器接收环境数据采集器所收集的温度、水位及水质信号，并由互联网传输至主机，远程监控和管理水上光伏电站。

监控装置的控制器为GPRS控制器，该控制器还连接汇流箱及逆变器，检测光伏阵列中每路电压电流和防雷信息；环境数据采集器所收集的温度包括环境温度、太阳能电池组件温度及水面温度。

本发明产生的有益效果：在浮体上预设X、Y和Z三个方向的连接件，可使太阳能电池组件在陆地上快速模块化安装，而且Z方向上的连接件既可以作为太阳能电池组件的支架，其支撑杆为中空结构可以用于放置太阳能电池组件的导电线缆，可根据需要通过调整支架中的转接件调节太阳能电池组件受光面的角度，结构简单，使用灵活，适用性强，可在陆地模块化安装成一整体后再放入水中，避免水中安装难度，省时、省力，浮体彼此不会碰撞。通过阵列模块构成整个大型的光伏阵列的电站，实现模块化设计和安装，灵活性和标准化均加强，减少了制造成本，降低发电成本，缩短回收期，对推广应用具有极大积极效果。水上光伏电站还设有与互联网连接的监控装置，在线监控水上光伏电站的水位、水质、温度及发电状况，能够使用户实时掌控水上光伏电站的运行情况。

附图说明

图1：本发明的模块化水上光伏阵列的整体结构示意图以及实施例1示意图。

图2：图1中水上光伏模块的结构示意图。

图3：图2所示水上光伏模块的剖面结构示意图。

图1至图3中，水上光伏模块由太阳能电池组件1、浮体3、支撑杆4、转接件5’、锁紧片5和压块6组成，在浮体3上有预埋的连接螺母2-1和拉链环2-2，支撑杆4的下端旋入连接螺母2-1，支撑杆4的上端安装转接件5’，锁紧片5’’安装在转接件5’上并可以旋转角度，压块6安装在锁紧片5’’上，并和锁紧片5’’一起将太阳能电池组件1夹紧。

图4：是本发明实施例2的示意图。

图4中，太阳能电池组件1安装在支架上，支撑杆4安装在纵向固定梁2’，纵向固定梁2’固定在横向固定梁2上，浮体3安装在横向固定梁2上，整个光伏阵列模块由绳索12固定在固定桩11上，光伏阵列引出的电缆10接入汇流箱8内，汇流箱8由电缆接到逆变器9上，再由逆变器9接入电网13上。

图5：图4中B部放大示意图。

图6：图4中A-A剖面示意图。

图5、6中，浮体3的支耳3-1固定在横向固定梁2上，纵向固定梁2’由螺栓连接在横向固定梁2上，支撑杆4通过转接件5由螺栓固定在纵向固定梁2’上，上支杆4’ 通过转接件5由螺栓固定在支撑杆4上，太阳能电池组件1由压块6固定在上支杆4’上。

图7：本发明的浮体3的第一种结构的结构示意图。

图8：是图6中C向的背面结构示意图。

图7、8中，浮体3的上表面的四个端角边缘突出有支耳3-1，支耳3-1开有连接孔，浮块3的上表面为防滑波纹3-2，浮体3的下表面加工有平衡凹槽3-3，连通平衡凹槽3-3至边缘有浅槽3-4。

图9：本发明的浮体3的第二种结构的结构示意图。

图9中，浮体3的支耳3-1为长条形，并贯穿整个边缘，在长条形支耳3-1上可以加工有若干个连接孔。

图10：本发明的转接件5的结构示意图。

图10中，转接件5为侧面是三角形的折边凹型槽钢的标准件，在支撑杆4和纵向固定梁2’连接时，底面连接孔5-2和纵向固定梁2’连接，侧面连接孔5-1和支撑杆4连接，在上支杆4’和支撑杆4连接时，底面连接孔5-2和上支杆4’连接，侧面连接孔5-1和支撑杆4连接。

图11：本发明的压块6的结构示意图。

图11中，压块6呈Z字形，压块6的上舌边6-1压住太阳能电池组件1的边缘，下边槽6-3卡住上支杆4’的两外侧面，中间连接孔6-2连接上支杆4’，将太阳能电池组件1固定在上支杆4’上。

图12：本发明的连接板7的结构示意图。

图12中，连接板7为长条钢板，长条钢板7上的连接孔7-1用来和纵向固定梁2’和横向固定梁2连接。

图13：本发明的实施例2的走线连接示意图。

图14：本发明的实施例2的电气连接示意图。

图15：本发明的实施例3的结构示意图。

图16：图13中D部放大示意图。

图16中，连接板7将两个相邻的光伏阵列模块的横向固定梁2和纵向固定梁2’连接。

图17：本发明的实施例3的电气连接示意图。

具体实施方式

实施例1

见图1至图3，本实施例中的模块化水上光伏阵列，由多块太阳能电池组件构成的光伏阵列安装在浮体上，浮体上预设有安装太阳能电池组件的连接机构，该连接机构包括X、Y和Z三个方向的连接件，其中Z方向的连接件是主要由支撑杆、转接件和锁紧件组成的支架，太阳能电池组件由所述支架安装在浮体上构成光伏模块，相邻光伏模块由浮体上预设的X和Y方向的连接件连接，形成水上光伏阵列。太阳能电池组件1的峰值功率为255Wp，工作电压30.8V，开路电压37.6V，工作电流8.28A，短路电流8.96A，浮体3为长条形塑胶PET实心浮块，在浮体3的长度方向的两边缘有厚度小于中间部位的支耳3-1，在两边支耳3-1上各间隔布置有三个拉链环2-2和两个连接螺母2-1的预埋件，其中一个拉链环2-2位于中间部位，支撑杆4的两端头有和连接螺母2-2配合的外螺纹，支撑杆4共有四个，转接件5’为L形不锈钢折边件，一面和支撑杆4连接，一面和锁紧块5’’连接，锁紧块5’’也是L形不锈钢折边件，一面较长，一面较短，短面和转接件5’，长面和压块6连接，压块6为Z形铝型材，一端面和锁紧块5’’连接。

四根支撑杆4下端分别旋入浮体3上的四个连接螺母2-1上，调整好支撑杆4的长度后，从下面再用另外的螺母锁紧，以防支撑杆4窜动，在支撑杆4的上端用两个螺母将转接件5’的水平面夹紧固定在支撑杆4上，转接件5’的竖直面朝上，锁紧块5’’的竖直面朝下，和转接件5的竖直面背靠背，调整好锁紧片5的倾角后用螺栓连接固定，压块6的下水平面和转接件5的水平面用螺栓连接，根据倾斜角度，算出两个支撑杆4的压块6的安装高度差，将太阳能电池组件1放置在压块6的上水平面和锁紧片5的水平面中间，太阳能电池组件1的厚度应略大于压块6的中间竖直面的高度，使得锁紧片5能够夹紧太阳能电池组件1。浮体上预设的X和Y方向的连接件为螺纹、锁链和/或销联接件，也可以是其他能够起连接作用的连接件，Z方向的支撑杆为空心结构，其内可放置连接太阳能电池组件的导电线缆。太阳能电池组件的接线槽也可以设置在浮体3的边缘处。

模块式水上光伏阵列安装在深圳地区，太阳能电池组件1向南倾斜22.5°，共采用10块太阳能电池组件1，横向五列，纵向两排，相邻一体式水上太阳能电池组件之间由锁链7连接在浮体3的拉链环2-2上，纵向锁链7固定在中间位置的拉链环2-2上，横向锁链7固定在边缘的拉链环2-2上，绳索8拉在中间的拉链环2-2并固定在水底的拉钉环上， 10块太阳能电池组件串联，串联后功率为2.55kWp，工作电压308V，开路电压376V，然后连接到一台3kW光伏并网逆变器，其参数为：MPPT范围250-560，最大直流电压输入范围为600V，最大直流输入功率3kW，然后由逆变器连接电网，构成水上光伏电站。电站还设有与互联网连接的监控装置。监控装置包括主机、控制器、环境数据采集器，所述环境数据采集器设有温度传感器、辐照计、水位及水质传感器；控制器接收环境数据采集器所收集的温度、水位及水质信号，并由互联网传输至主机，监控每台设备的详细运行参数和工作状态，运行数据、故障信息自动存储功能，可实时显示电站当天发电功率、当天发电量、历史发电量、二氧化碳减排量，发电功率曲线图、发电量柱状图和日照曲线图，历史数据和故障信息导出功能，输出数据到不同软件需要的文件格式，定时获取数据报表，故障告警功能（邮件或短信），实现远程监控和管理水上光伏电站。

实施例2

见图4至图13，本实施例为一个总功率为5kWp的水上光伏阵列模块，太阳能电池组件1采用峰值功率为255Wp，每块工作电压30.8V，开路电压37.6V，工作电流8.28A，短路电流8.96A，光伏阵列模块共采用太阳能电池组件20块，其中10块串联为一组，串联后功率为2.55kWp，工作电压308V，开路电压376V，两组总功率为5.1kWp，10块一组与另10块一组连接到一台5kW光伏并网逆变器进行并联，其参数为：MPPT范围250-560，最大直流电压输入范围为600V，最大直流输入功率5.5kW，然后由逆变器9连接电网13，构成光伏并网发电系统。

本实施例的浮体3为塑胶材料制成实心浮块，在浮体3的四个端角部突出有四个支耳3-1，支耳3-1突出到浮体的外边缘，浮体3的上表面为防滑波纹3-2，下表面为中间部位为平衡凹槽3-3，在平衡凹槽3-3的四边中间部位有低于平衡凹槽3-3的浅槽3-4通到下表面的外边缘，固定梁为C型钢，在两侧面长度方向有内凹槽，固定梁包括横向固定梁2和纵向固定梁2’，支架同固定梁选用同样的C型钢，支架包括上支杆4’和支撑杆4，转接件5为侧面是三角形的折边凹型槽钢, 在支撑杆4和纵向固定梁2’连接时，底面连接孔5-2和纵向固定梁2’连接，侧面连接孔5-1和支撑杆4连接，在上支杆4’和支撑杆4连接时，底面连接孔5-2和上支杆4’连接，侧面连接孔5-1和支撑杆4连接，压块6为Z字形，压块6的上舌边6-1压住太阳能电池组件1的边缘，下边槽6-3卡住上支杆4’ 的C型钢的两侧面，中间连接孔6-2连接上支杆4’，将太阳能电池组件1固定在上支杆4’上。横向和/或纵向固定梁内设置有放太阳能电池组件导电线缆的接线槽，太阳能光伏组件1的正负电极引线1-1引入到固定在纵向固定梁2’的纵向线槽14’内，由防水管10-1内的电缆10进行串联后，从纵向线槽14’的端口引出电缆10，电缆10又和固定在横向固定梁2的横向线槽14内的电缆10连接，汇总后，通过水下的线槽走线，再连接到汇流箱上。固定梁内的接线槽为可扣盖的C形线槽。

在陆地安装时，将浮体3两边的支耳3-1的下端面分别放在两根横向固定梁2上，并用螺栓固定在横向固定梁2上，两根横向固定梁2上放置八个浮体3，共有五组，八根纵向固定梁2’搭在五组横向固定梁2上，并用螺栓固定在横向固定梁2上，每两根纵向固定梁2’一组，上面放置五块太阳能电池组件1，五块太阳能电池组件1由压块6固定在上支杆4’上，上支杆4’由转接件5与支撑杆4连接，支撑杆4通过另一转接件5与纵向固定梁2’连接，陆地安装好后，将光伏阵列模块放入水中，横向固定梁2上绑有四根绳索12，绳索12固定在水底部的水泥固定桩11上，汇流箱8和逆变器9放置在岸边，太阳能电池组件电缆10从底部引到岸边接入到汇流箱8内，汇流箱8由电缆10接入到逆变器9，由逆变器9接入到附近的公共电网13上。

本实施例作为一个光伏阵列模块整体安装在岸上完成， 安装完成后在放入水中，因此大大减少水中作业量。

实施例3

本实施例为1MW水上光伏电站项目，安装于某水库水面上，采用分块发电、集中并网方案，然后经逆变器9接入0.38kV公共电网13侧。

本实施例采用实施例1的光伏阵列模块，共200个光伏阵列模块，纵向排布20个光伏阵列模块，横向排布10个光伏阵列模块，每个光伏阵列模块之间采用连接板7相连接，连接板7为长条钢板，连接板7将相邻的每个模块的横向固定梁2以及纵向固定梁2’的端头连接起来，逆变器9同样采用200台实施例1同样的逆变器9构成1MW光伏发电系统。

本系统采用分散发电、集中控制、单点并网的技术方案，将系统分成200个并网发电单元，1#至200#发电单元由太阳能电池组件、并网逆变器、升压变压器等组成。

多个光伏系统各自独立，便于实现梯级控制，以提高系统的运行效率由于是多个分系统，系统冗余度高，不至于由于某台逆变器发生故障而造成整个系统瘫痪；局部故障检修时不影响大部分的系统运行，有利于工程分部实施。

Claims (9)

1.一种模块化水上光伏阵列，由多块太阳能电池组件构成的光伏阵列安装在浮体上，其特征在于所述浮体上表面有防滑波纹，下表面设有平衡凹槽，浮体边缘还设有太阳能电池组件的接线槽，在浮体上预设有安装太阳能电池组件的连接机构，该连接机构包括X、Y和Z三个方向的连接件，其中Z方向的连接件是主要由支撑杆、转接件和锁紧件组成的支架，太阳能电池组件由所述支架安装在浮体上构成光伏模块，相邻光伏模块由浮体上预设的X和Y方向的连接件连接，形成水上光伏阵列。

2.如权利要求1所述的模块化水上光伏阵列，其特征在于所述浮体的边缘设有带安装孔的支耳，且浮体上预设的X和Y方向的连接件为螺纹、锁链和/或销联接件，Z方向的支撑杆为空心杆，其内敷设连接太阳能电池组件的导电线缆。

3.如权利要求1或2所述的模块化水上光伏阵列，其特征在于所述浮体上预设的X和Y方向的连接件与固定梁连接，相邻光伏模块通过固定梁连接成水上光伏阵列，固定梁内设置有放太阳能电池组件导电线缆的接线槽。

4.如权利要求1所述的模块化水上光伏阵列，其特征在于所述浮体Z方向的连接件中的锁紧件由压块与锁紧片构成，太阳能电池组件固定在压块和锁紧片之间，锁紧片由转接件连接支撑杆，通过转接件调节太阳能电池组件的受光角度。

5.如权利要求4所述的模块化水上光伏阵列，其特征在于所述转接件为侧面是三角形的折边凹型槽钢,锁紧片固定在转接件的凹型槽内，由转接件调整太阳能电池组件与支撑杆之间的夹角。

6.如权利要求4所述的模块化水上光伏阵列，其特征在于所述转接件和紧锁片均为L形，L形紧锁片的一边与转接件连接，另一边连接压片，该压片呈Z字形，其上安装有太阳能电池组件。

7.一种具有权利要求1至6任意一项所述模块化水上光伏阵列的电站，其特征在于所述由多个光伏模块构成的水上光伏阵列通过汇流箱及逆变器接入公共电网，形成水上光伏电站，该电站还设有与互联网连接的监控装置，在线监控水上光伏电站的水位、水质、温度及发电状况。

8.如权利要求7所述的具有模块化水上光伏阵列的电站，其特征在于所述监控装置包括主机、控制器、环境数据采集器，所述环境数据采集器设有温度传感器、辐照计、水位及水质传感器；控制器接收环境数据采集器所收集的温度、水位及水质信号，并由互联网传输至主机，远程监控和管理水上光伏电站。

9.如权利要求7所述的具有模块化水上光伏阵列的电站，其特征在于所述监控装置的控制器为GPRS控制器，该控制器还连接汇流箱及逆变器，检测光伏阵列中每路电压电流和防雷信息；环境数据采集器所收集的温度包括环境温度、太阳能电池组件温度及水面温度。