CN106330058A - 水面漂浮式光伏电站设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水面漂浮式光伏电站设计方法,包括步骤:1)设计光伏电站的布置形式,确定光伏阵列、逆变器、箱式变压器的相对位置;2)综合考虑发电量和光伏组件布置的限定条件,选择光伏组件的最佳倾角;3)根据当地水域风浪的地理条件,规划光伏组件串的布置型式、维修通道及电缆敷设通道;4)选择漂浮式光伏电站浮台型式、浮体和支撑件的材质和规格;5)根据所需浮力、电缆沟设计要求计算浮体规格、形状;6)设计浮体与浮体、浮体与支架、支架与光伏组件之间的连接形式;7)针对水面漂浮式光伏电站的型式和光伏组件布置,进行光伏电站的防浪、防风设计;8)设计光伏电站在水中的固定方式;9)设计光伏电站的接地。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域,具体地指水面漂浮式光伏电站设计方法。
背景技术
大规模的光伏电站多分布在远离负荷中心的青海、新疆、内蒙古等地,而作为负荷中心的城市周边用地紧张,除了厂房屋顶可建设分布式光伏电站之外,城市周边水库的大面积水面也成了光伏电站的可用场地。我国水资源丰富,湖泊、水库众多,发展水面光伏电站具有不占用土地、避免采煤沉陷区不均匀沉降、减少水量蒸发等优势,可以拓宽光伏应用。水库通风好,水蒸气能带走光伏组件的部分热量,提高发电效率,同时光伏组件又能给水库遮阳,对水产养殖有辅助作用,另外,光伏组件还可以减少水面的蒸发,解决平原地区水库蒸发量过大的问题。
水面漂浮式光伏电站布置于水面上,其特殊的位置环境的对光伏电站的部件的设计和布置方式有着诸多的要求,其布置方式对光伏电站的发电效率具有很大的影响。目前,尚未提出全面的对水面漂浮式光伏电站的设计方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处,提出一种水面漂浮式光伏电站设计方法,综合考虑光伏阵列、逆变器、箱式变压器等部件的布置形式、光伏组件的最佳倾角、浮体的设计方法,以达到发电效率最高的技术效果。
本发明的目的是通过如下措施来达到的:水面漂浮式光伏电站设计方法,其特殊之处在于,其特征在于,包括如下步骤:
(1)设计光伏电站的布置形式,确定光伏阵列、逆变器、箱式变压器的相对位置;
(2)计算光伏组件的倾角,综合考虑发电量和光伏组件布置的限定条件,选择光伏组件的最佳倾角;
(3)根据当地水域风浪的地理条件,规划光伏组件串的布置型式以及光伏阵列之间、光伏阵列中的维修通道及电缆敷设通道;
(4)选择漂浮式光伏电站浮台型式、浮体和支撑件的材质和规格;
(5)根据所需浮力、电缆沟设计要求计算浮体规格、形状;
(6)设计浮体与浮体、浮体与支架、支架与光伏组件之间的连接形式;
(7)针对水面漂浮式光伏电站的型式和光伏组件布置,进行光伏电站的防浪、防风设计;
(8)设计光伏电站在水中的固定方式;
(9)设计光伏电站的接地。
优选地,所述步骤1)中当用于放置逆变器和箱式变压器的浮台的建设成本小于电缆增加的成本与发电量损失的经济效益之和时,逆变器和箱式变压器置于光伏阵列的几何中心,反之将逆变器和箱式变压器置于岸边。
优选地,所述步骤2)中根据光伏组件倾角与发电量之间的关系计算,最佳倾角为5°~20°,此时光伏电站的发电量损失约2%~3%。
优选地,所述步骤3)中,当地属于水域风浪大的地理条件时,横向、单排布置光伏组件串;当地属于水域风浪小的地理条件时,竖向、多排布置光伏组件串。
优选地,所述步骤3)中,维修通道的宽度为20cm~60cm。
优选地,所述步骤4)中,浮台形式包括全浮体式和浮体+支架式。
优选地,所述步骤5)中,浮体既用于支撑光伏组件或支架,也用于铺设维修通道和电缆敷设通道,浮体之间进行一字型连接或者T字型连接。应考虑维修人员、光伏组件、支架、电缆置于浮体上时浮体的平稳性、连接的牢固性。优选地,所述步骤7)中提高光伏电站的抗风性的措施包括:降低光伏电站整体高度,减小光伏组件倾角,在光伏电站四周连接若干圈空置的浮体。
优选地,所述步骤7)中降低波浪对光伏电站的影响的措施包括:浮体采用圆角设计,浮体上增加通孔,在光伏电站最外围浮体下方连接防浪裙。
优选地,全浮体形式中,支撑光伏组件的浮体的形状设计中,浮体在水平面上的投影面积小于光伏组件在水平面上投影面积的70%。
本发明提供的水面漂浮式光伏电站设计方法综合考虑了光伏电站所处地理环境、风浪因素、各部件布置形态等特点,优化和改进了传统光伏电站的计算方法,提出一套详细完整的设计方案。该方法能用于设计水面漂浮式光伏电站,从科学地评估发电效率,以经济效益最大化为目标,同时提出抗风性措施和降低波浪措施,减少腐蚀对光伏电站的危害,提升水面漂浮式电站的长期稳定运作。
附图说明
图1为本发明水面漂浮式光伏电站设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,但该实施例不应理解为对本发明的限制。
如图1所示,本发明水面漂浮式光伏电站设计方法,包括如下步骤:
1)设计光伏电站的布置形式,确定光伏阵列、逆变器、箱式变压器(以下简称“箱变”)的相对位置。
当逆变器和箱变位于光伏阵列的几何中心时,直流电缆的用量最省,接入同一个光伏汇流箱的光伏组件串的输出电压一致性也最好,因此光伏电站的发电量高于逆变器和箱变置于岸边的布置方式,但需要为逆变器及箱变建设浮台。逆变器和箱变置于岸上时,无需为逆变器及箱变建造浮台,但大大增加了直流电缆的用量,也降低了光伏电站的发电量。因此,应根据水面漂浮式光伏电站的规模、建设成本、发电量选择合适的光伏电站形式。当浮台的建设成本小于电缆增加的成本与发电量损失的经济效益之和,逆变器和箱变置于光伏阵列几何中心,反之将逆变器和箱变置于岸边。
2)计算光伏组件的倾角,综合考虑发电量和光伏组件布置的限定条件,选择光伏组件的最佳倾角。
根据国标计算光伏组件的倾角,一般倾角在20°~40°左右。但是与地面光伏电站不同,水面漂浮式光伏电站的光伏组件一方面会随着波浪不断波动,难以随时保持在最佳倾角状态,另一方面由于浮体漂浮在水面上,若光伏组件倾角较大,光伏组件和浮体受大风影响更易倾覆,因此光伏组件的倾角宜选择较小的角度。根据光伏组件倾角与发电量之间的关系计算,当光伏组件倾角在5°~20°时,光伏电站的发电量损失约2%~3%,此时光伏电站受风力影响降低,且仍然有利于下雨时冲刷掉光伏组件上的污物,故漂浮式光伏电站的光伏组件倾角在5°~20°之间调整。
3)根据结合光伏组件倾角,规划光伏组件串的布置型式以及光伏阵列之间、光伏阵列中的维修通道及电缆敷设通道。
根据光伏电站所在区域风力大小选择光伏组件串的布置形式。通过横向布置降低光伏电站整体高度,提高抗风浪的能力,但浮体结构或钢结构的用量较多,竖向布置时,光伏电站光伏电站整体高度更高,但浮体结构或钢结构的用量较少。同理,单排布置时,光伏电站整体高度较低,抗风浪、防倾覆的性能更好,但浮体、支架等材料用量较多,多排布置时,浮体、支架等材料用量较少,但是增加了光伏电站的整体高度,使其受风浪的影响增大。故水面漂浮式光伏电站的光伏组件布置形式要根据当地水域风浪条件及成本进行选择。
不同于地面光伏电站,水面漂浮式光伏电站的维修通道、电缆敷设通道没有现成的地面可利用。在方便运营维护的条件下应尽量减少维修通道和电缆敷设通道的数量,且维修通道设计为20cm~60cm为宜,电缆敷设通道以满足电缆敷设宽度要求即可。
竖向布置光伏组件时,维修通道的长度小于横向布置光伏组件;多排布置光伏组件时光伏电站的维修通道的数量和长度小于单排布置的光伏电站。光伏组件的布置形式初步确定后,据此设计维修通道、电缆敷设通道的布置,然后再根据光伏组件、维修通道、电缆敷设通道的整体设计再优化调整光伏组件布置,并更新维修通道、电缆敷设通道的设计。
4)选择漂浮式光伏电站浮台型式、浮体和支撑件的材质和规格。
根据漂浮式光伏电站所在水域的风力和波浪强度,以及浮体、支架的成本,选择光伏组件的浮台形式。浮台主要提供浮力和支撑光伏组件。浮台形式包括全浮体式和浮体+支架式。全浮体式水面漂浮式光伏电站中,浮体不仅用于提供浮力,还用于支撑光伏组件,将单个光伏组件连接成光伏阵列。该型式无金属连接件,减少腐蚀对光伏电站的危害。浮体+支架式水面漂浮式光伏电站中,浮体主要用于提供光伏组件和支架的浮力,金属或其他材质的支架用于安装光伏组件并将支架之间互相连接组成大规模的光伏阵列。
浮体和支撑件及涂层的材质应抗紫外线、抗腐蚀,并对水体无污染。
5)根据所需浮力、电缆沟设计要求计算浮体规格、形状。
根据光伏组件、支架、工作人员、电缆等重量计算光伏阵列所需浮力,并根据浮体数量计算每个浮体需提供的浮力,根据浮力和工程成本设计每个浮体的体积。
浮体和支撑件的形状应利于运输、安装。浮体和支撑件应尽量进行模块化设计,减少浮体和支撑件的种类、款式的数量,降低建设成本。例如同一款浮体既可用于支撑光伏组件,也可用于铺设维修通道和电缆敷设通道,浮体之间可进行一字型连接,也可进行T字型连接。
全浮体形式中,支撑光伏组件的浮体的形状设计中,应使浮体在水平面上的投影面积小于光伏组件在水平面上投影面积的70%,以增大光伏组件的亲水面积,充分发挥水的对光伏组件的冷却效果。
浮体、支架的设计除考虑放置光伏组件外,还应为电缆的敷设预留通道。
6)设计浮体与浮体、浮体与支架、支架与光伏组件之间的连接形式。
水面漂浮式光伏电站浮体与浮体、浮体与支架、浮体与光伏组件、支架与光伏组件之间的连接应考虑波浪对光伏电站的影响。
对于没有金属支架结构的全浮体型式,浮体作为受力的主体承受随波浪波动时的拉力、扭力、挤压力等外力,故浮体与浮体之间的连接采用非刚性连接,但应使相对运动不影响光伏组件的稳定,且维护人员踩上浮体时,浮体的下沉不影响维护人员正常工作。
对于有金属支架结构的浮体+支架型式,金属支架作为承受拉力、扭力、挤压力的主体,单根金属支架的长度宜不超过10m。此时浮体与支架、支架与光伏组件宜采用刚性连接,减少相对运动,利用支架为光伏电站提供稳定支撑。
7)针对水面漂浮式光伏电站的型式和光伏组件布置,进行光伏电站的防浪、防风设计.
与地面光伏电站不同,水面漂浮式光伏电站的光伏组件支撑未固定在水底,故受风浪影响,造成光伏电站整体波动,并形成局部相对运动,既增大材料的疲劳性,造成浮体或支架折断、损坏,也容易造成局部光伏组件及浮体倾覆。
提高光伏电站的抗风性可采取如下措施:降低光伏电站整体高度,减小光伏组件倾角,在光伏电站四周连接若干圈空置的浮体。
降低波浪对光伏电站的影响可采取如下措施:浮体采用圆角设计,浮体上增加通孔,在光伏电站最外围浮体下方连接防浪裙。
判断是否满足受力、满足要求,是则前往下一步;否则返回步骤3)。
8)设计光伏电站在水中的固定方式。
水面漂浮式光伏电站的固定既要防止光伏电站在便宜原定位置太远,又要防止水位上升而固定拉索太短淹没光伏电站,并且固定拉索不应妨碍船只通行。离岸较近的光伏电站,在不影响行船的条件下可通过拉索固定在岸边,离岸较远的光伏电站宜固定在水底,并预留最高水位时光伏电站不被淹没的拉索长度。
9)设计光伏电站的接地。
水面漂浮式光伏电站离岸较近时,可将接地极设计在岸上或水底,通过接地线与接地极相连,接地电阻的大小应符合国家标准。水面漂浮式光伏电站离岸较远时,宜将接地极设计在水底,通过接地线与接地极相连,接地电阻的大小应符合国家标准。
实施例:在湖中建设100kW水面漂浮式光伏电站。
由于光伏电站所在地光伏利用小时数约1100小时,且电站装机容量较小,故光伏电站发电量较少,占地面积较小。若在光伏阵列中间设置浮台安装逆变器和变压器,节约的直流电缆用量和增加的发电量产生的收益小于建造浮台的成本,故该项目选择将逆变器和变压器安装在湖边岸上。
光伏倾角计算时,以1°为步进值,计算0°~40°时水面漂浮式光伏电站的发电量。分析倾角与发电量的关系可得,当倾角从0°逐渐增加到最佳倾角32°时,发电量上升,从32°继续增加,发电量下降。另一方面,当倾角达到12°后,发电量仅比32°时小2%左右。考虑到水面漂浮式光伏电站光伏组件在运行期间受波浪影响,倾角难以固定,且倾角大时光伏组件受大风威胁易倾覆,故光伏组件的安装倾角选择12°。
光伏组件串布置时,从降低光伏电站整体高度出发,选择单排横向布置光伏组件,此时增加了维修通道的长度。
为了减少金属件的使用,降低潮湿环境对光伏电站的腐蚀,水面漂浮电站的浮台型式选择全浮体式,且浮体采用抗紫外线和腐蚀程度较高的材料如高密度聚乙烯(HDPE),对水体的污染较小。
根据所安装的275W光伏组件的尺寸和重量计算,同时考虑2名工人同时工作的情况,水面漂浮式光伏电站的浮台由安装光伏组件的支撑浮体和作为维修通道的通道浮体构成。支撑浮体为矩形,长、宽分别为1m,四周采用圆角设计,从浮体上表面开圆形穿孔至浮体下表面,面积为浮体上表面的一半,以增加光伏组件的临水面积,提高水体对光伏组件的冷却效果。通道浮体设计成1.7m长、0.4m宽的中空长方体,四周采用圆角设计。支撑浮体和通道浮体通过卡槽耦合以及非金属螺栓固定形成连接,连接处留出5mm的间隙,通过非刚性连接缓冲浮体波动时连接处的受力。通道浮体之间既可进行一字型连接也可T字型连接,同样采用非刚性连接的形式。支撑浮体既用于安装光伏组件,也用于和通道浮体配合作为电缆敷设通道。采用全浮体结构的浮台型式后,光伏组件与支撑附体之间通过压块和螺栓实现紧密连接。
通过将光伏组件倾角设计为12°,光伏组件串中的每块光伏板横向布置,水面漂浮式光伏电站的整体高度远低于地面光伏电站的整体高度,抗风浪性能更优。在光伏电站的外围通道浮体的外侧,再T接一组通道浮体,减少最外侧光伏组件倾覆的可能性。
最外侧通道浮体的水面以下,安装一圈防波围挡。防波围挡和最外侧通道浮体相连,发挥“防波堤”的作用,使围挡所围范围内水域的波浪减小,以降低浮体收波浪印象上下波动时浮体连接处的受力。
水面漂浮式光伏电站的固定通过线缆固定在岸上。
光伏电站的接地通过在湖底埋入接地极,将光伏电站接地电缆与接地极相连实现。接地电缆的长度满足发生当地水域50年一遇最大水位时,光伏电站浮在水面上,接地电缆长度仍满足光伏电站与接地极的连接长度。
其它未详细说明的部分均为现有技术,以上所有参数均可通过查阅手册或计算得到。本发明并不严格地局限于上述实施例。以上所述仅为本发明的特定实施例,并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换及改进等,都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)设计光伏电站的布置形式,确定光伏阵列、逆变器、箱式变压器的相对位置;
2)计算光伏组件的倾角,综合考虑发电量和光伏组件布置的限定条件,选择光伏组件的最佳倾角;
3)根据当地水域风浪的地理条件,规划光伏组件串的布置型式以及光伏阵列之间、光伏阵列中的维修通道及电缆敷设通道;
4)选择漂浮式光伏电站浮台型式、浮体和支撑件的材质和规格;
5)根据所需浮力、电缆沟设计要求计算浮体规格、形状;
6)设计浮体与浮体、浮体与支架、支架与光伏组件之间的连接形式;
7)针对水面漂浮式光伏电站的型式和光伏组件布置,进行光伏电站的防浪、防风设计;
8)设计光伏电站在水中的固定方式;
9)设计光伏电站的接地。
2.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤1)中当用于放置逆变器和箱式变压器的浮台的建设成本小于电缆增加的成本与发电量损失的经济效益之和时,逆变器和箱式变压器置于光伏阵列的几何中心,反之将逆变器和箱式变压器置于岸边。
3.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤2)中根据光伏组件倾角与发电量之间的关系计算,最佳倾角为5°~20°,此时光伏电站的发电量损失约2%~3%。
4.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤3)中,当地属于水域风浪大的地理条件时,横向、单排布置光伏组件串;当地属于水域风浪小的地理条件时,竖向、多排布置光伏组件串。
5.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤3)中,维修通道的宽度为20cm~60cm。
6.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤4)中,浮台形式包括全浮体式和浮体+支架式。
7.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤5)中,浮体既用于支撑光伏组件或支架,也用于铺设维修通道和电缆敷设通道,浮体之间进行一字型连接或者T字型连接。
8.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤7)中提高光伏电站的抗风性的措施包括:降低光伏电站整体高度,减小光伏组件倾角,在光伏电站四周连接若干圈空置的浮体。
9.根据权利要1所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:所述步骤7)中降低波浪对光伏电站的影响的措施包括:浮体采用圆角设计,浮体上增加通孔,在光伏电站最外围浮体下方连接防浪裙。
10.根据权利要6所述的水面漂浮式光伏电站设计方法,其特征在于:全浮体形式中,支撑光伏组件的浮体的形状设计中,浮体在水平面上的投影面积小于光伏组件在水平面上投影面积的70%。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |