CN107644141B - 水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，所述方法包括步骤：1)搜集与项目相关的气象水文及地质勘测资料；2)根据水面光伏电站规模、气象水文资料，初步确定锚固单元大小及每边的锚固点数量；3)建立水动力学模型，采用水动力学软件模拟风浪流情况下锚绳系泊力情况，得到锚固单元的系泊力及波浪力；4)根据步骤3)计算出的所述系泊力以及波浪力，进行阵列内部强度校核，若强度满足要求，则进入步骤5)，否则返回步骤2)；5)根据系泊力计算结果，进行钢支架设计、锚绳设计和锚块的设计，同时进行强度校核；6)根据极限工况，对锚固阵列进行极限工况校核；7)结合项目现场情况，对锚固阵列整体进行防风、防浪设计。

Description

水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体地指一种水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法。

背景技术

我国早期发展光伏发电时，受到日照资源、土地租金等因素的影响，建成的大型光伏地面电站主要集中于西部地区，但这些地区对于光伏电力的就地消纳能力不足，近年来弃光限电现象严重。而我国用电需求量大的东部地区，闲置土地较少，且用地成本较高，不适宜大型地面光伏电站的发展。相比之下，东部地区水资源丰富，湖泊、水库众多，具有大规模发展水面光伏电站的优势。

水面漂浮式光伏电站适用于深水水域，但由于无固定基础的保障，易受到风、浪、流等复杂环境因素的影响，容易发生较大的偏移、偏转及倾覆等问题。因此，为了保证水面漂浮式光伏电站能抵御一定程度的风浪作用，且在环境载荷作用下，能保证不发生大范围偏转，保证光伏组件发电量，必须采取措施提高光伏发电阵列的整体稳定性。

整体稳定性是指整个光伏阵列的整体工作能力，以及抗倾覆、抗失效、抗偏转的能力。通常，水面漂浮式光伏电站整体稳定性控制措施包括锚固系统、防浪装置等。目前工程中常用的锚固手段多是经验的产物，没有形成规范、系统的设计方法；未能给出锚固点的排布原则、布置数量的依据；缺乏不同工况下锚固绳系泊力的计算数据，无法验证锚固系统的有效性。国内外也暂未出现类似的专利文献，因此提出一种规范、系统的设计方法用于指导水面光伏阵列的锚固系统设计十分重要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，提供一种科学的系统性设计方法，通过该方法设计的稳固措施在满足相关设计规范及环境要求、保证光伏发电系统的正常高效运作的前提下，可最大化提高经济性、施工便利性及后期维护便利性。

为达到上述目的，本发明提及的一种水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)根据项目所在地，搜集与项目相关的气象水文及地质勘测资料；

2)根据水面光伏电站规模、气象水文资料，初步确定锚固单元大小及每边的锚固点数量；

3)根据初步确定的锚固单元大小及每边的锚固点数量，建立水动力学模型，采用水动力学软件模拟风浪流情况下锚绳系泊力情况，得到锚固单元的系泊力及波浪力；

4)根据步骤3)计算出的所述系泊力以及波浪力，根据国家标准并进行阵列内部强度校核，若强度满足要求，则进入步骤5)，否则返回步骤2)；

5)根据所述系泊力计算结果，进行钢支架设计、锚绳设计和锚块的设计，同时进行强度校核；

6)根据极限工况，对锚固阵列进行极限工况校核；

7)结合项目现场情况，对锚固阵列整体进行防风、防浪设计。

优选地，所述步骤1)中气象水文资料包括：当地海拔高度、年最大风速、最大风速风向、平均风速、年最多风向、水位、流速及流量、年最大水位变化、历史最大水位变化、波浪高度及周期；所述地勘测量资料包含：光伏电站所在水域位置、水域面积及形状、地形剖面图。

优选地，所述步骤2)的具体步骤包括：

2A)根据水面光伏电站规模，综合逆变器功率、箱式变压器容量，结合工程实践经验确定基本单元大小；

2B)根据所述基本单元大小以及气象水文资料，通过风、浪、流计算公式初步估算基本单元在不同方向上的风力、波浪力及水流力，并计算不同方向的合力大小；

2C)根据所述基本单元大小及不同方向的合力大小，根据耳板受力极限并考虑变压器容量，确定锚固单元大小及锚固单元每边的锚固点数量。

优选地，所述步骤2C)中基本单元内部浮体拼接为一体，构成一个稳定的整体性系统。基本单元为水面光伏电站整体稳定性控制措施布置的最小单元，其四周可设置锚固措施，内部不设置锚固措施。

优选地，所述步骤2C)中基本单元的规模为0.1MW～5MW之间，既要使基本单元规模尽量大，以减少锚固措施的设置数量，提高经济性；又要避免单元过大导致积聚大量冲击能量无法释放，造成基本单元连接处应力过分集中，导致破损失效。

优选地，针对每一方向，计算该方向的设计环境载荷，通常，光伏阵列单一方向的环境载荷中风载荷远远大于波浪载荷和流载荷的综合作用，因此初步确定锚固单元规模之前，只需计算光伏阵列的风载荷值。

风载荷的计算公式为：F＝CρAv²

式中：F为作用在阵列上的风载荷，N；ρ为空气密度，kg/m³；A为光伏阵列垂直于风向的轮廓投影面积，m²；v为设计极限风速，m/s；C为风载系数，综合考虑高度变化、光伏阵列形状和多排组件的遮挡效应对风载荷的影响，结合模拟计算结果取C＝0.15。

优选地，设计锚固单元作为整体锚固的最小单元，锚固单元由若干个基本单元组成，根据锚固单元在风载荷作用方向上的布置，确定锚固单元有效浮体连接耳板的数量n。根据不等式Q/n≤R，Q为单一方向的设计环境载荷，初步估算时可用该方向的风载荷近似计算；R为单个浮体耳板的抗拉强度)，即可初步确定锚固单元规模的范围。

优选地，锚固单元的进一步设计中，还应遵循的设计原则有：

a)锚固单元的几何形状贴近正四边形，减小扭矩，防止风载荷作用下发生偏转；

b)相邻锚固单元间设置一定间距，作为走船运维通道。

优选地，所述步骤3)使用软件模拟计算时将风载荷、波浪和流的特性参数作为输入条件，通过流体动力学计算类软件(ANSYS等)对锚固单元及其锚固措施进行建模，计算分析光伏阵列在风浪流耦合作用下的动态响应，输出作用在锚固单元上的环境载荷变化曲线、稳固系统各缆绳的系泊力等内容。

优选地，所述步骤5)根据经验或已有资料选定锚绳及锚块材料，锚绳材料可为钢丝绳、钢绞线、尼龙绳等，锚块可为钢筋混凝土及不锈钢船用锚。当阵列的锚固系统对锚绳强度要求不高、且水体具有腐蚀性时，应采用尼龙绳等防腐性强的材料作为锚绳。当阵列的锚固系统对锚绳强度要求高、且水体腐蚀性较弱时，应采用钢丝绳或钢绞线等强度高的材料，并采用适当的防腐措施，如镀锌或采用不锈钢材料等。

优选地，参考相关规范，根据锚绳受力确定锚绳型号，确定型号锚绳的公称抗拉强度必须大于锚绳实际拉应力。

优选地，根据目标水域地勘资料及锚固系泊力等内容，确定锚绳布置形式及角度。锚绳的布置形式分为直拉式、内八式和外八式。直拉式有利于锚块提供比例较大的有效锚固力，充分平衡对应方向环境载荷的作用。内八式布置时锚绳朝向阵列内部，分别为阵列的不同方向提供有效锚固力。外八式布置时锚绳朝向阵列外围，分别为阵列的不同方向提供有效锚固力。

使用ANSYS计算以上三种锚绳布置形式，发现内八布置时锚固系统保护下的光伏阵列最为稳定，阵列偏移及偏转角度均较小。因此在锚固系统布置锚绳时应优先考虑内部布置。

内八式锚绳布置的具体角度的确定，应考虑到阵列中浮体的特点、阵列不同方向的环境载荷比值等因素，具体情况具体分析。

优选地，根据锚固单元系泊力、系统稳定性要求及施工便利性确定锚块的形式及单个锚块的重量。锚块形式可为普通六面体、圆筒体或其他改进几何体。改进几何体应根据工程的具体需求及地质条件进行相应锚块形式的改进。例如，水域底部为硬砂石类地质，锚固力要依靠锚块与底部摩擦力时，要尽量使锚块与水域底部的接触面粗糙，增大摩擦力；水域底部为淤泥类粘性地质，锚固力依靠锚块与淤泥间的吸附作用时，要尽量减少锚块与水域底部接触面面积，减小压强，使锚块更易沉入淤泥内。

优选地，所述钢支架通过刚性螺栓与若干个浮体耳板连接，再将锚绳连接到钢支架连接点上，设计钢支架具体形式，保证钢支架在单点系泊力作用下结构受力最优，并且对浮体耳板的保护效果最佳。

优选地，所述钢支架包含但不限于由型钢焊接而成的桁架结构。

优选地，结合软件模拟计算结果，对所设计的锚绳、锚块及钢支架进行结构强度校核计算。

优选地，所述步骤6)的具体步骤包括：

6A)明确光伏电站允许的破坏范围，为超设计基准事故设置保障电站整体安全的破坏限度；

6B)校核极限工况下锚固单元系泊力、阵列内部受力以及锚绳、锚块与钢支架的受力；

6C)分析光伏电站受损情况及对阵列整体安全性的影响；

6D)若步骤6C)的计算结果满足步骤6A)的限度要求，即设计通过极限工况的校核，进入步骤7)；若不满足步骤6A)的限度要求，需将存在问题的结果反馈到相应设计步骤中，重新进行校核，直至满足步骤6A)的限度要求为止。

优选地，所述步骤7)中所述防风设计包含但不限于在锚固单元的迎风侧设置凹形防风板，通过其形状改变风的流动方向，从而削弱风载荷对锚固阵列的作用。

优选地，所述步骤7)种所述防浪设计包含但不限于在锚固单元的非靠岸侧设置水下垂直于水面的防浪裙，或是在水面设置漂浮体消浪措施。

本发明具有的优点如下：

1)本发明提出了一种科学的、系统性强的水面漂浮式光伏电站锚固系统的设计方法，该方法设计思路清晰、操作简单、可行性强；本发明充分结合当地气象、水文、地质资料及电站相关建设要求进行锚固设计，锚固系统针对性强、对现场环境适应性好，使光伏阵列在不同的环境条件下均能保证其整体稳定性；

2)本发明使用水动力学计算软件对风浪流耦合工况进行建模计算，克服了公式估算无法耦合不同方向作用力的弊端，可真实地反映出光伏阵列及其锚固系统在环境载荷综合作用下的响应情况；

3)本发明对水面光伏阵列划分单元，以此为基础设计锚固系统，采用设计工况下的保守计算，并要求设计系统能够通过极限工况的校核，使得设计的锚固系统能保证水面漂浮式光伏电站的整体稳定性，保证其在风浪作用下能够正常高效的运作；

4)本发明根据系泊力结果进行锚固系统加强设计，以加强锚固单元的整体稳定性；锚绳及锚块的设计可提高系统稳定性，增强锚固效果；钢支架的设计可避免应力集中于耳板上，防止耳板受力过度发生破损失效。

附图说明

图1为水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法流程图；

图2为一种防浪措施——防浪裙示意图；

图3为一种防浪措施——水面漂浮体示意图；

图4为直拉式锚绳布置示意图；

图5为内八式锚绳布置示意图；

图6为外八式锚绳布置示意图；

图中：1、光伏电站阵列；2、锚块；3、防浪裙；4、防浪裙配重；5、岸边；6、防浪漂浮体。

具体实施方式

为简洁明了地揭示本发明所阐述的内容，本实施例结合附图详细描述了该发明所涉及方法的使用步骤，以便于本行业的技术人员理解本发明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

以安徽某51MW水面光伏示范电站为例对本发明进行说明。

步骤1)根据甲方提资，获得项目所在地的气象、水文及地质勘测等资料，简要整理出锚固系统设计所需内容，下表整理出部分本发明计算需要的参数。

内容	数值
		当地海拔高度m	30
历年最大风速m/s	21
		极限风速m/s	30
水域流速m/s	1
		历史最大水位变化m	3
波浪高度m	0.5
		极限波浪高度m	1
波浪周期s	3

除此之外，还要明确地勘测量资料，其中需包含：光伏电站所在水域位置、水域面积及形状、地形图及其剖面图等。

步骤2)综合考虑此光伏电站共51MW的容量、逆变器功率及箱式变压器容量，明确此项工程锚固系统的基本锚固单元规模为3MW，此光伏电站共17个锚固单元。每个锚固单元内部浮体拼接为一体，构成一个稳定的整体性系统。锚固单元为水面光伏电站锚固系统布置的最小单元，其四周可设置锚固措施，内部不设置锚固措施。

光伏阵列单一方向的环境载荷中风载荷远远大于波浪载荷和流载荷的综合作用，因此初步确定锚固单元规模之前，只需计算光伏阵列的风载荷值。

以历年最大风速为此项目设计风速，据此根据公式分别计算南北方向、东西方向风载荷：

F＝CρAv2

式中：F为作用在阵列上的风载荷，N；ρ为空气密度，kg/m³；A为光伏阵列垂直于风向的轮廓投影面积，m²；v为设计极限风速，m/s；C为风载系数，综合考虑高度变化、光伏阵列形状和多排组件的遮挡效应对风载荷的影响，结合模拟计算结果取C＝0.15。

综合考虑锚固单元有效浮体连接耳板受力极限、扭矩最小化、预留间距等问题，合理布置3MW锚固单元的几何形状。

计算该3MW锚固单元南北方向风载荷为54.7t，东西方向风载荷为18.7t，初步确定南北方向单侧锚固数量为42个，东西方向单侧锚固数量为14个，单个浮体耳板的受力符合应力要求。

步骤3)使用流体动力学计算软件，如ANSYS，对3MW光伏阵列及其锚固系统进行建模，输入步骤1)登记的波浪周期及浪高、流速及步骤2)估算的风载荷等特性参数，计算分析光伏阵列在风浪流耦合作用下的动态响应，输出作用在锚固系统各缆绳的系泊力均小于1.2t，符合浮体耳板强度要求；锚固系统锚绳预留1m适应性余量时，在此环境载荷条件下，锚固单元阵列极限水平位移为1.2m，极限偏转角度为0.3°，符合阵列间距及稳定性要求。

步骤4)根据步骤3)计算的系泊力以及整体的波浪力，对照国家标准校核阵列内部节点受力情况，结果表明系泊力为1.2t时，阵列内部连接节点应力满足浮体耳板强度要求，从而确定此3MW锚固单元布置形式符合设计要求。

步骤5)经计算，该系泊力下单根锚绳设计极限应力为210MPa。此光伏电站锚绳选用镀锌钢绞线1×7-9.5-1720，抗拉强度为1720MPa，满足锚绳的应力要求。

不同几何形状的锚固单元阵列各个方向的受力情况不同，为使锚块各个方向的分力均能起到有效的锚固作用，针对本项目锚固单元阵列的具体形式，分析锚绳的最佳夹角。锚绳的布置形式包括直拉式、内八式和外八式。

直拉式有利于锚块提供比例较大的有效锚固力，充分平衡对应方向环境载荷的作用。

内八式布置时锚绳朝向阵列内部，分别为阵列的不同方向提供有效锚固力。

外八式布置时锚绳朝向阵列外围，分别为阵列的不同方向提供有效锚固力。

使用ANSYS软件计算以上三种锚绳布置形式，发现内八布置时锚固系统保护下的光伏阵列最为稳定，阵列偏移及偏转角度均较小。因此在锚固系统布置锚绳时应优先考虑内部布置。

由于该3MW锚固单元南北方向风载荷为54.7t，东西方向风载荷为18.7t，根据对应方向环境载荷比值、及阵列中浮体布置特点等因素，确定该3MW方阵内八式锚绳布置的具体角度为70°。

根据锚块在水下的受力分析，由系泊力1.2t、摩擦系数0.8、推算出配重式锚块重量应为1.5t。锚块材料选用钢筋混凝土。

该项目锚块的形式选用改进几何体——蛙锚形式。由于该项目水域底部为淤泥类粘性地质，锚固力依靠蛙锚与淤泥间的吸附作用时，要尽量减少蛙锚与水域底部接触面面积，减小压强，使蛙锚更易沉入淤泥内。

为了避免应力过分集中于浮体耳板的位置，采用钢支架过度锚固力。钢支架的形式要保证其自身结构稳定、受力最优，起到保护浮体耳板的作用，减少浮体耳板的受力，同时，要保证固定钢支架的浮体在系泊力的作用下，不会发生倾覆。

使用软件对钢支架结构进行建模，输入系泊力等条件，校核钢支架结构强度，满足型钢强度要求，可进行下一步。

步骤6)明确光伏电站极限工况时允许的破坏范围：允许光伏方阵四周位置的浮体及光伏组件失效，要保证电站的整体安全性、保证箱逆变等大型电气设备的安全；

软件模拟计算极限工况下(风速30m/s、浪高1m)锚固单元单根锚绳系泊力为2.5t，阵列部分锚块发生走锚，锚固系统提供的水平摩擦力变大，在走锚期间，阵列与阵列间不发生碰撞。校核系泊力为2.5t时，阵列内部节点的受力情况、浮体强度是否足够以及锚绳、锚块、钢支架的强度。

经计算分析，极限工况下浮体、锚绳、锚块、钢支架的强度均满足要求。光伏方阵不会发生大范围的破损，均满足设计要求。

步骤7)在光伏阵列迎风面设计凹形防风板，削弱风载荷对锚固阵列的作用。在锚固单元非靠岸侧设置水面漂浮体，削弱来浪作用。尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据项目所在地，搜集与项目相关的气象水文及地质勘测资料；

2)根据水面光伏电站规模、气象水文资料，初步确定锚固单元大小及每边的锚固点数量；具体步骤包括：

2A)根据水面光伏电站规模，综合逆变器功率、箱式变压器容量，结合工程实践经验确定基本单元大小；

2B)根据所述基本单元大小以及气象水文资料，通过风、浪、流计算公式初步估算基本单元在不同方向上的风力、波浪力及水流力，并计算不同方向的合力大小；

2C)根据所述基本单元大小及不同方向的合力大小，根据耳板受力极限并考虑变压器容量，确定锚固单元大小及锚固单元每边的锚固点数量；

3)根据初步确定的锚固单元大小及每边的锚固点数量，建立水动力学模型，采用水动力学软件模拟风浪流情况下锚绳系泊力情况，得到锚固单元的系泊力及波浪力；

4)根据步骤3)计算出的所述系泊力以及波浪力，根据国家标准并进行阵列内部强度校核，若强度满足要求，则进入步骤5)，否则返回步骤2)；

5)根据所述系泊力计算结果，进行钢支架设计、锚绳设计和锚块的设计，同时进行强度校核；

6)根据极限工况，对锚固阵列进行极限工况校核；

7)结合项目现场情况，对锚固阵列整体进行防风、防浪设计。

2.根据权利要求1所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤1)中气象水文资料包括：当地海拔高度、年最大风速、最大风速风向、平均风速、年最多风向、水位、流速及流量、年最大水位变化、历史最大水位变化、波浪高度及周期；所述地质勘测资料包含：光伏电站所在水域位置、水域面积及形状、地形剖面图。

3.根据权利要求1所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤2C)中所述锚固单元作为整体锚固的最小单元，锚固单元由若干个基本单元组成，根据锚固单元在风载荷作用方向上的布置，确定锚固单元有效浮体连接耳板的数量n，根据不等式Q/n≤R，其中Q为单一方向的设计环境载荷，R为单个浮体耳板的抗拉强度，初步确定锚固单元规模的范围。

4.根据权利要求3所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤2C)中锚固单元的设计，遵循的设计原则有：

a)锚固单元的几何形状贴近正四边形，减小扭矩，防止风载荷作用下发生偏转；

b)相邻锚固单元间设置一定间距，作为走船运维通道。

5.根据权利要求1所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤3)中使用软件模拟计算时将风载荷、波浪和流的特性参数作为输入条件，通过流体动力学计算类软件对锚固单元及其锚固措施进行建模，计算分析光伏阵列在风浪流耦合作用下的动态响应，输出作用在锚固单元上的环境载荷变化曲线、稳固系统各缆绳的系泊力。

6.根据权利要求1所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤5)根据经验或已有资料选定锚绳及锚块材料，所述锚绳为钢丝绳、钢绞线、尼龙绳，所述锚块为钢筋混凝土、不锈钢船用锚。

7.根据权利要求1所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤6)的具体步骤包括：

6A)明确光伏电站允许的破坏范围，为超设计基准事故设置保障电站整体安全的破坏限度；

6B)校核极限工况下锚固单元系泊力、阵列内部受力以及锚绳、锚块与钢支架的受力；

6C)分析光伏电站受损情况及对阵列整体安全性的影响；

6D)若步骤6C)的计算结果满足步骤6A)的限度要求，即设计通过极限工况的校核，进入步骤7)；若不满足步骤6A)的限度要求，需将存在问题的结果反馈到相应设计步骤中，重新进行校核，直至满足步骤6A)的限度要求为止。

8.根据权利要求7所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤7)中的防风设计包含但不限于在锚固单元的迎风侧设置凹形防风板，通过其形状改变风的流动方向，从而削弱风载荷对锚固阵列的作用。

9.根据权利要求1所述的水面漂浮式光伏电站锚固系统设计方法，其特征在于：所述步骤7)中的防浪设计包含但不限于在锚固单元的非靠岸侧设置水下垂直于水面的防浪裙，或是在水面设置漂浮体消浪措施。

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