CN112550577A - 适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光伏发电技术领域，公开了一种适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，包括光伏组件，还包括若干组件浮体组，每个组件浮体组包括若干个并排的组件浮体单元，光伏组件通过支架系统安装在组件浮体单元上，相邻的两排组件浮体组之间布置有若干个通道浮体，且每个通道浮体位于四个相邻的组件浮体单元中心位置，每个通道浮体的四个角分别与相邻的四个组件浮体单元的角连接，组件浮体单元朝向通道浮体的两端向外延伸至光伏组件投影的外侧均形成走道。本发明适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，能够实现抗冰冻荷载、防止积雪覆盖及增大组件间阴影间距的功能，具有结构简单易实现、运维方便、安全可靠的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统。
背景技术
东北、内蒙古等高纬度严寒地区土地资源稀缺、山地条件恶劣，地面光伏电站发展受限，在这些区域的水库建设水面光伏电站，既充分利用当地的太阳能资源，又不挤占当地宝贵的草场资源，还能为附近的牧民提供经济、便捷的电能资源，经济效益和社会效益巨大。
但由于高纬度严寒区域气温低、冰冻时间长，对漂浮系统的抗冰冻提出了更高的要求。而且这些地区一般冬季积雪厚度大、积雪覆盖期长，对光伏组件的遮挡影响严重，造成光伏电站发电量损失严重。另外，纬度高的地区光伏组件的最佳倾角较大，加大了两排光伏组件之间的南北向阴影间距要求，增加了漂浮式水面光伏电站光伏组件之间的运维通道成本，阻碍了漂浮式水面光伏电站的推广应用。为解决高纬度严寒地区漂浮式水面光伏漂浮系统的以上问题，亟需进行技术突破。
目前，国内外提出的水面光伏漂浮系统大都只关注其在中、低纬度地区的使用情况，并未对高纬度严寒区域的极端环境进行特别考虑，部分漂浮系统也仅关注了高纬度严寒区域的局部影响因素，并未对所有因素进行综合考虑。
中国专利(公开日：2019年09月20日、公开号：CN209419535U)公开了一种漂浮式发电系统及其支撑阵列，利用横梁系统将浮体连接形成支撑光伏组件的阵列，仅具有较强的抗浪涌性能，不具备高纬度寒冷区域使用的能力。
中国专利(公开日：2019年07月30日、公开号：CN209176870U)公开了一种漂浮式水上浮体及浮体阵列，利用水上浮体实现了光伏组件的支撑，但未考虑高纬度严寒区域冰冻、积雪和阴影对浮体结构的影响。
中国专利(公开日：2019年12月13日、公开号：CN209776755U)公开了一种浮体及其支撑系统，通过改变浮体侧面结构，使得在浮体侧面底端任意一点处的法线均与水平面之间有夹角，减小了冰荷载对浮体的挤压力，从而提高了浮体耐冰荷载的能力。但该浮体侧面底端只是减小了冰荷载对浮体的挤压力，剩余挤压力还是需要浮体壁面自身强度抵抗，容易造成壁面受力变形；其次该浮体未考虑高纬度严寒区域积雪和阴影对浮体结构的影响。
中国专利(公开日：2017年10月03日、公开号：CN107231118A)公开了一种适用于冰冻地区的水上光伏装置，利用浮体之间的活动扁铁连接抵消水面冻融产生的水平和竖向冻胀力，并利用升降气缸调节光伏组件倾角，以提高发电量。但该漂浮系统连接扁铁仅能释放部分浮体间的冻胀力，难以将浮体四周的冻胀力释放，很难对系统中较薄弱的浮体产生保护作用；其次，该结构利用升降气缸调节光伏组件倾角，虽然可以实现光伏组件倾角的调整，但成本投入较大，且光伏组件倾角增大后前后排光伏组件间距并未调整，可能出现光伏组件遮挡反而影响发电。
由于现有漂浮式水面光伏电站漂浮系统存在上述技术问题，使得水面光伏电站难以再高纬度严寒地区推广使用，浪费了闲置的水面资源，阻碍了这些地区水面光伏的发展。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，能够在与中、低纬度地区漂浮系统成本相当的前提下实现抗冰冻荷载、防止积雪覆盖及增大组件间阴影间距的功能，具有结构简单易实现、运维方便、安全可靠的特点。
为实现上述目的，本发明所设计的一种适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，包括若干排平行漂浮在水面上的组件浮体组，每个所述组件浮体组包括若干个并排的组件浮体单元，所述光伏组件通过支架系统安装在所述组件浮体单元上，相邻的两排所述组件浮体组之间布置有若干个通道浮体，且每个所述通道浮体位于四个相邻的所述组件浮体单元中心位置，每个所述通道浮体的四个角分别与相邻的四个所述组件浮体单元的角连接，所述组件浮体单元朝向所述通道浮体的两端向外延伸至所述光伏组件投影的外侧均形成走道，所述支架系统包括两根平行的光伏组件固定斜梁，每根所述光伏组件固定斜梁的顶端均铰接有阻尼回复伸缩杆，所述阻尼回复伸缩杆的另一端铰接在高位立柱的顶端，所述光伏组件固定斜梁的中部靠下位置铰接在低位立柱的顶端，所述高位立柱的高度大于所述低位立柱的高度，所述光伏组件安装在两根所述光伏组件固定斜梁上，能够在实现所述光伏组件倾斜支撑的同时自动清除所述光伏组件上部积雪，避免了高纬度严寒区域积雪长期堆积对光伏电站发电量造成较大损失，所述组件浮体单元的四个角上均设有用于连接的连接耳板，所述连接耳板上设有若干个耳板螺栓孔，所述通道浮体的四个角通过螺栓与所述耳板螺栓孔配合连接在所述组件浮体单元上。
优选地，所述组件浮体单元和通道浮体四个侧面下部的吃水线位置截面为拱桥型，可实现引冰上滑功能，降低冰荷载对浮体底面的挤压力，保护浮体。
优选地，每个所述组件浮体单元的至少一个走道的外侧边沿上向内凹陷形成镂空凹陷，所述组件浮体与两个所述组件浮体单元之间形成的镂空区域提供了所述光伏组件上部滑落积雪的收集区域，防止积雪堆积过高掩埋所述光伏组件影响发电。
优选地，所述组件浮体单元为中空结构。
优选地，所述组件浮体单元内填充有轻质低吸水率材料，以提高所述组件浮体单元的强度，并降低所述组件浮体单元破损后中空内腔进水造成所述组件浮体单元沉没的风险。
优选地，所述组件浮体单元的走道上设有防滑花纹，以增加摩擦力避免雨雪天气运维人员落水。
优选地，所述组件浮体单元上设有供所述高位立柱和低位立柱安装的立柱安装平台，所述安装平台上设有固定耳板，所述固定耳板上设有若干个耳板螺栓孔。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、用积雪自动实现了积雪的自动滑落，避免了高纬度地区积雪长期覆盖造成光伏电站发电量损失，也避免了常规地面光伏电站需要运维人员人工铲雪，运维更便利，同时，该装置为机械结构，不需要任何电力或动力驱动，可靠性更高的同时投入更小，更利于提高电站收益率；
2、提出组件浮体单元、通道浮体等与水面接触的侧面下部吃水线位置截面拱桥形设计，该设计方案可使冰荷载对浮体产生了一个竖直向上的分力，推动浮体向上移动，从而释放部分静冰载荷防止浮体损坏，且拱桥形截面在受静冰压力时，会将部分作用在浮体壁面上的正压力产生的弯矩部分转化为沿壁面切向的压力，从而防止传统技术中壁面局部弯矩过大引起壁面凹陷；
3、通过在组件浮体单元上设置镂空凹陷，提供了光伏组件上部滑落积雪的收集区域，避免了传统水上光伏电站光伏组件下部积雪堆积过高掩埋光伏组件影响发电的问题；
4、通过组件浮体单元上的走道，可与通道浮体拼接形成连续的水上运维通道，采用非直线排布增大了前后排光伏组件的间距，更有利于避免高纬度区域光伏组件受到阴影遮挡。
附图说明
图1为本发明适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统的轴测示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统中光伏组件、组件浮体单元与支架系统组合后的结构示意图；
图4为图3另一个角度的示意图；
图5为图3中组件浮体单元的结构示意图；
图6为图3的正视图；
图7为图1中支架系统的结构示意图；
图8为本发明适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统一个实施例中光伏组件倾角为α时的支架系统支撑左视图；
图9为上述实施例中光伏组件倾角为β时的支架系统支撑左视图。
图中各部件标号如下：
光伏组件1、组件浮体组2、组件浮体单元3、支架系统4、通道浮体5、走道6、光伏组件固定斜梁7、阻尼回复伸缩杆8、高位立柱9、低位立柱10、连接耳板11、耳板螺栓孔12、镂空凹陷13、立柱安装平台14、固定耳板15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1及图2所示，本发明一种适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，包括光伏组件1，还包括若干排平行漂浮在水面上的组件浮体组2，每个组件浮体组2包括若干个并排的组件浮体单元3，光伏组件1通过支架系统4安装在组件浮体单元3上，相邻的两排组件浮体组2之间布置有若干个通道浮体5，且每个通道浮体5位于四个相邻的组件浮体单元3中心位置，每个通道浮体5的四个角分别与相邻的四个组件浮体单元3的角连接，结合图3、图4及图5所示，组件浮体单元3朝向通道浮体5的两端向外延伸至光伏组件1投影的外侧均形成走道6，组件浮体单元3的走道上设有防滑花纹。
如图7所示，支架系统4包括两根平行的光伏组件固定斜梁7，每根光伏组件固定斜梁7的顶端均铰接有阻尼回复伸缩杆8，阻尼回复伸缩杆8的另一端铰接在高位立柱9的顶端，光伏组件固定斜梁7的中部靠下位置铰接在低位立柱10的顶端，高位立柱9的高度大于低位立柱10的高度，光伏组件1安装在两根光伏组件固定斜梁7上。支架系统4主要特点在于，在正常工况下，如图8所示，光伏组件固定斜梁7支撑于阻尼回复伸缩杆8顶端及低位立柱10顶点上，由于阻尼回复伸缩杆8顶端及低位立柱10顶点跨度大于光伏组件1宽度的一半，因此固定在光伏组件固定斜梁7上的光伏组件1在重力作用下保持稳定并与水平面呈一定夹角α；当光伏组件1上有积雪覆盖时，由于自重积雪将沿倾斜面向下滑落，并在光伏组件1下边框的阻碍下堆积，此时，如图9所示，由于积雪重力产生的向下弯矩大于阻尼回复伸缩杆8回复力产生的弯矩，光伏组件1将会在阻尼回复伸缩杆8阻尼作用下以低位立柱10铰接点为中心进行缓慢旋转，从而增大了光伏组件1倾角，此时倾角β大于α，可将积雪倾倒于组件浮体单元3之间的镂空区域内，从而避免了积雪长期遮挡造成发电量损失，当积雪倾倒完毕后，在阻尼回复伸缩杆8的作用下，光伏组件1回位。
如图3、图4及图5所示，组件浮体单元3的四个角上均设有用于连接的连接耳板11，连接耳板11上设有若干个耳板螺栓孔12，通道浮体5的四个角通过螺栓与耳板螺栓孔12配合连接在组件浮体单元3上，组件浮体单元3上还设有供高位立柱9和低位立柱10安装的立柱安装平台14，安装平台14上设有固定耳板15，固定耳板15上设有若干个耳板螺栓孔12，每个组件浮体单元3的至少一个走道的外侧边沿上向内凹陷形成镂空凹陷13。
如图6所示，组件浮体单元3和通道浮体5四个侧面下部的吃水线位置截面为倒拱桥型，拱桥形吃水面可以将作用在组件浮体单元3或通道浮体5侧面下部的水平冰推力转换为斜向上的冰推力F，对组件浮体单元3或通道浮体5产生了一个竖直向上的分力Fy，当静冰载荷达到临界冰压时，竖直向上的冰推分力会大于漂浮系统的自重，从而推动组件浮体单元3或通道浮体5向上移动，可释放部分静冰载荷，防止组件浮体单元3或通道浮体5损坏。在上述过程中，组件浮体单元3或通道浮体5侧面下部拱桥形截面在受静冰压力时，会将部分作用在组件浮体单元3或通道浮体5壁面上的正压力F产生的弯矩部分转化为沿壁面切向的压力Ft，从而防止壁面局部弯矩过大引起壁面凹陷。
本实施例中，组件浮体单元3为中空结构，组件浮体单元3内填充有轻质低吸水率材料。
本发明适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，用积雪自动实现了积雪的自动滑落，避免了高纬度地区积雪长期覆盖造成光伏电站发电量损失，也避免了常规地面光伏电站需要运维人员人工铲雪，运维更便利，同时，该装置为机械结构，不需要任何电力或动力驱动，可靠性更高的同时投入更小，更利于提高电站收益率；提出组件浮体单元3、通道浮体5等与水面接触的侧面下部吃水线位置截面拱桥形设计，该设计方案可使冰荷载对浮体产生了一个竖直向上的分力，推动浮体向上移动，从而释放部分静冰载荷防止浮体损坏，且拱桥形截面在受静冰压力时，会将部分作用在浮体壁面上的正压力产生的弯矩部分转化为沿壁面切向的压力，从而防止传统技术中壁面局部弯矩过大引起壁面凹陷；通过在组件浮体单元3上设置镂空凹陷13，提供了光伏组件1上部滑落积雪的收集区域，避免了传统水上光伏电站光伏组件1下部积雪堆积过高掩埋光伏组件1影响发电的问题；通过组件浮体单元3上的走道6，可与通道浮体5拼接形成连续的水上运维通道，采用非直线排布增大了前后排光伏组件1的间距，更有利于避免高纬度区域光伏组件1受到阴影遮挡。
Claims (7)
1.一种适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，包括光伏组件(1)，其特征在于：还包括若干排平行漂浮在水面上的组件浮体组(2)，每个所述组件浮体组(2)包括若干个并排的组件浮体单元(3)，所述光伏组件(1)通过支架系统(4)安装在所述组件浮体单元(3)上，相邻的两排所述组件浮体组(2)之间布置有若干个通道浮体(5)，且每个所述通道浮体(5)位于四个相邻的所述组件浮体单元(3)中心位置，每个所述通道浮体(5)的四个角分别与相邻的四个所述组件浮体单元(3)的角连接，所述组件浮体单元(3)朝向所述通道浮体(5)的两端向外延伸至所述光伏组件(1)投影的外侧均形成走道(6)，所述支架系统(4)包括两根平行的光伏组件固定斜梁(7)，每根所述光伏组件固定斜梁(7)的顶端均铰接有阻尼回复伸缩杆(8)，所述阻尼回复伸缩杆(8)的另一端铰接在高位立柱(9)的顶端，所述光伏组件固定斜梁(7)的中部靠下位置铰接在低位立柱(10)的顶端，所述高位立柱(9)的高度大于所述低位立柱(10)的高度，所述光伏组件(1)安装在两根所述光伏组件固定斜梁(7)上，所述组件浮体单元(3)的四个角上均设有用于连接的连接耳板(11)，所述连接耳板(11)上设有若干个耳板螺栓孔(12)，所述通道浮体(5)的四个角通过螺栓与所述耳板螺栓孔(12)配合连接在所述组件浮体单元(3)上。
2.根据权利要求1所述适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，其特征在于：所述组件浮体单元(3)和通道浮体(5)四个侧面下部的吃水线位置截面为拱桥型。
3.根据权利要求1所述适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，其特征在于：每个所述组件浮体单元(3)的至少一个走道的外侧边沿上向内凹陷形成镂空凹陷(13)。
4.根据权利要求1所述适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，其特征在于：所述组件浮体单元(3)为中空结构。
5.根据权利要求4所述适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，其特征在于：所述组件浮体单元(3)内填充有轻质低吸水率材料。
6.根据权利要求1所述适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，其特征在于：所述组件浮体单元(3)的走道上设有防滑花纹。
7.根据权利要求1所述适用于高寒地区的冰推上滑防积雪式水面光伏漂浮系统，其特征在于：所述组件浮体单元(3)上设有供所述高位立柱(9)和低位立柱(10)安装的立柱安装平台(14)，所述安装平台(14)上设有固定耳板(15)，所述固定耳板(15)上设有若干个耳板螺栓孔(12)。
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