CN114826097A - 一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置及安装方法，主要由漂浮底架和碟形穹顶组成；漂浮底架包括螺旋排列的浮力压杆，将相邻公共节点依次连接的顶部水平拉索，将相邻浮力压杆底端依次连接的底部水平拉索，将公共节点与相邻浮力压杆底端连接的垂向拉索，通过径向拉索固定于漂浮底架中央的承重柱；碟形穹顶由数根环向拉索、斜向拉索、定位拉索及竖直压杆按一定规律通过张拉成形而成，其外形呈碟形；本发明顶部碟形穹顶的特殊外形不仅提高了空间利用率，还可在一定时间段达到良好的聚光效果，承重柱将碟形穹顶所受部分外力传递至漂浮底架下端，提高了装置的承载能力，且装置为张拉整体结构，重量较轻，耗材少，具有更好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及近海结构与光伏发电技术领域，具体地说是一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置及安装方法。
背景技术
进入21世纪以来，受化石能源危机和节能减排政策影响，人们开始热衷于新能源的开发和利用，光伏发电成为新能源开发利用的焦点。目前光伏系统的开发应用领域主要集中在陆上，随着光伏技术的发展，水上漂浮式光伏发电技术由于其节约土地资源、提高发电量、减少水面蒸发量等优势，引起了世界各国研究机构、新能源开发企业的重视，成为未来光伏发电应用的拓展方向。
相关技术中，中国专利申请号CN114215700A，公开了一种用于海上风力发电的张拉整体海洋平台，包括张力腿、平台拉索、底部横向拉索、活动平台、斜向拉索、弧形撑管、中央立柱、连接节点、径向拉索、顶部横向拉索、顶部撑杆、顶部斜向拉索及横向加强索；其外部主体框架包含四根弧形撑管，将顶部节点与临杆底部节点连接的斜向拉索，分别将相临两杆顶部、底部节点连接的顶部横向拉索与底部横向拉索；内部的活动平台通过平台拉索与外部主体框架相连接，消耗部分平台剩余浮力将其绷紧并构成张紧结构。相关技术的不足在于，用于太阳能光伏发电领域时，建造成本过高，难以在海面成片建造，整体高耸，具有较大面积的阴面，光能吸收效率低。
同时，陆地上目前的碟式光伏发电装置，如中国专利申请号CN202628412U，多为碟形镜面反射，自动追日结构，建造成本高昂，当遭遇海上恶劣气候时难以检修，一旦损坏则损失巨大。
因此，本申请克服上述现有技术中的弊端，在此基础上对其结构进行改进，提供一种新的用于海上光伏发电的海上光伏发电装置解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置及安装方法，利用张拉整体结构降低装置重量，减少制作成本，通过碟形穹顶增加太阳能光伏板的空间利用率，通过凹面聚光提高太阳能转化率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置。通过索和杆张拉成形构成漂浮底架可在保持一定承载能力的同时，降低材料成本，减少装置重量。应用碟形索穹顶结构增加了的光伏板的单位面积覆盖率，其碟面可在一定时间段产生一定的聚光作用，提高太阳能转化率。
本发明提供的一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置包括漂浮于海面的漂浮底架和安装于漂浮底架上方的碟形穹顶。所述的漂浮底架由六根浮力压杆提供浮力，碟形穹顶的六个顶点通过一根斜向拉索和一根定位拉索分别连接至漂浮底架顶部的六个公共节点。所述的碟形穹顶通过增加竖直压杆长度施加预应力，使碟形穹顶形成一个绷紧碟面，其最底端与承重柱的顶部节点相连，所述的承重柱的底部节点通过三根径向下拉索将成形后碟形穹顶上方所受的部分外荷载传递至漂浮底架下端，顶部节点通过三根径向上拉索限制向上的位移。
所述的漂浮底架整体呈螺旋六棱柱形，包括六根底部水平拉索，三根径向下拉索，六根浮力压杆，三根径向上拉索，六根垂向拉索，六个公共节点，六根顶部水平拉索，一个底部节点，一根承重柱和一个顶部节点。六根浮力压杆内部中空，下端至中部外径较大，中部至顶端外径逐渐减小，下端呈正六边形分布，杆身沿同一方向与同一轴心螺旋排列，六个公共节点位于浮力压杆顶部且呈正六边形分布。底部拉索将相邻浮力压杆的下端依次连接，顶部水平拉索将相邻的公共节点依次连接，垂向拉索将公共节点连接至相邻浮力压杆的下端。
所述的碟形穹顶包括多根环向承重索、多根斜向拉索、多根定位拉索、多根环向拉索、多根竖直压杆和一根中央压杆。所述的碟形穹顶呈自周围向内先隆起再内凹的碟形，环向拉索将所有环向相邻的竖直压杆底端依次相连，最外圈竖直压杆的顶端与底端分别通过一根斜向拉索与一根定位拉索连接至公共节点，其他所有竖直压杆顶端通过两根环向承重索与环向相邻的竖直压杆顶端相连并通过一根斜向拉索与径向相邻的竖直压杆底端相连，底端通过两根定位拉索与径向相邻的竖直压杆顶端相连。
所述的承重柱内部中空，位于漂浮底架的中央，其底部节点低于漂浮底架并通过三根径向下拉索与互不相邻的三根浮力压杆下端相连，顶部节点与碟形穹顶相连并通过三根径向上拉索连接至径向下拉索未连接的三根浮力压杆下端。
所述的所有底部水平拉索与顶部水平拉索长度相同。
所述的中央压杆顶端通过六根斜向拉索与最内圈竖直压杆底端连接，底端固定于承重柱的顶部节点并通过六根定位拉索与最内圈竖直压杆底端连接。
所述的中央压杆及竖直压杆两两互不相交且仅受压力，环向承重索、斜向拉索、定位拉索、环向拉索均仅受拉力。
所述的太阳能光伏板安装于相邻两条环向承重索之间，相邻两条环向承重索间距相同，最外圈太阳能光伏板内侧高于外侧，其余太阳能光伏板均外侧高于内侧。
一种碟形海上光伏发电装置的安装方法包括以下步骤：
步骤a，将六根浮力压杆的底端及公共节点分别依次连接，形成一个六棱柱，将六个公共节点沿同一方向旋转至该方向相邻浮力压杆底端的正上方并通过垂向拉索连接，漂浮底架通过减小垂向拉索张拉成形；
步骤b，将定位拉索由中央交汇点沿六个方向分别连接至六个公共节点，最外圈竖直压杆底端安装于定位拉索的相应位置，顶端依次通过环向拉索两两相连并通过六根斜向拉索连接至六个公共节点，通过增加竖直压杆长度或缩短斜向拉索将最外圈结构张拉成形，其余各竖直压杆均按照此方法安装；
步骤c，承重柱通过改变三根径向下拉索的长度从三个方向控制底部节点的位移，通过改变三根径向上拉索的长度从三个方向控制顶部节点的位移，六根拉索在Z轴方向对承重柱形成两个方向相反的合力，改变合力差则可控制承重柱的垂向位置，使其顶部节点与中央压杆底端相连。
所述步骤a进一步包括，张拉成形后的漂浮底架顶部与底部的相对扭曲角θ可用下式计算：
其中，相对扭曲角θ为线段Oa与Of的夹角，O点为漂浮底架的底部旋转中心，a点为垂向拉索底部端点，f点为垂向拉索顶点b投影至漂浮底架底部的投影点，ω为浮力压杆的数量。
与相关技术相比，本发明有益效果如下：
（1）所述的漂浮底架为螺旋状的六棱张拉整体结构，通过公式计算出其相对扭曲角θ，具有良好的承载能力，同时其重量较轻，具有一定的弹性，可应对海上复杂气候环境；
（2）所述的碟形穹顶的最底端与承重柱相连，当光伏穹顶上方受到载荷时，可通过承重柱利用三根径向下拉索将部分荷载传递至漂浮底架底部，当光伏穹顶下方受到载荷时，承重柱自重可抵消部分荷载，也可通过三根径向上拉索将部分荷载传递至漂浮底架底部，提高了装置的结构可靠性；
（3）所述的碟形穹顶呈碟形，当照射光线到达一定角度后，可通过折射对光线进行二次吸收，同时在碟面内凹部分上方形成一个温度较高的区域，提高了太阳能转化率。碟形海上光伏发电装置的出现，丰富了现有海上光伏发电装置的类型，拓宽了张拉整体结构的应用范围。具体包括耗材低、质量轻、结构稳定、具有一定的弹性、太阳能转化率高等优点。
附图说明
图1为本发明的三维示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的主视图；
图4为本发明漂浮底架的三维示意图；
图5为本发明漂浮底架的主视图；
图6为本发明碟形穹顶的三维结构剖视图；
图7为本发明碟形穹顶的主视图；
图8为本发明碟形穹顶另一种实施方式的三维结构剖视图；
图9为本发明漂浮底架的计算示意图；
图中标记如下：
1-底部水平拉索，2-径向下拉索，3-浮力压杆，4-径向上拉索，5-垂向拉索，6-公共节点，7-顶部水平拉索，8-底部节点，9-承重柱，10-顶部节点，11-环向承重索，12-斜向拉索，13-定位拉索，14-环向拉索，15-竖直压杆，16-中央压杆，17-太阳能光伏板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1-3所示，本发明提供的一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置包含包括漂浮于海面的漂浮底架和安装于漂浮底架上方的碟形穹顶。漂浮底架由六根浮力压杆3提供浮力，碟形穹顶的六个顶点通过一根斜向拉索12和一根定位拉索13分别连接至漂浮底架顶部的六个公共节点6。碟形穹顶通过增加竖直压杆15长度施加预应力，使碟形穹顶形成一个绷紧碟面，其最底端与承重柱9的顶部节点10相连。承重柱9的底部节点8通过三根径向下拉索2将成形后碟形穹顶上方所受的部分外荷载传递至漂浮底架下端，顶部节点10通过三根径向上拉索4限制向上的位移。
如图4-5所示，漂浮底架整体呈螺旋六棱柱形，通过六根浮力压杆3构成整体骨架，浮力压杆3内部中空，下端至中部外径较大，中部至顶端外径逐渐减小，下端呈正六边形分布，杆身沿同一方向与同一轴心螺旋排列，六个公共节点6位于浮力压杆3顶部且呈正六边形分布。底部拉索1将相邻浮力压杆3的下端依次连接，顶部水平拉索7将相邻的公共节点6依次连接，垂向拉索5将公共节点6连接至相邻浮力压杆3的下端。承重柱9内部中空，位于漂浮底架的中央，其底部节点8低于漂浮底架并通过三根径向下拉索2与互不相邻的三根浮力压杆3下端相连，顶部节点10与碟形穹顶相连并通过三根径向上拉索4连接至径向下拉索2未连接的三根浮力压杆3下端。
如图6-7所示，碟形穹顶呈自周围向内先隆起再内凹的碟形，环向拉索14将所有环向相邻的竖直压杆15底端依次相连，最外圈竖直压杆15的顶端与底端分别通过一根斜向拉索12与一根定位拉索13连接至公共节点6，其他所有竖直压杆15顶端通过两根环向承重索11与环向相邻的竖直压杆15顶端相连并通过一根斜向拉索12与径向相邻的竖直压杆15底端相连，底端通过两根定位拉索13与径向相邻的竖直压杆15顶端相连。中央压杆16顶端通过六根斜向拉索12与最内圈竖直压杆15底端连接，底端固定于承重柱9的顶部节点10并通过六根定位拉索13与最内圈竖直压杆15底端连接。中央压杆16及竖直压杆15两两互不相交且仅受压力，环向承重索11、斜向拉索12、定位拉索13、环向拉索14均仅受拉力。太阳能光伏板17安装于相邻两条环向承重索11之间，相邻两条环向承重索间距相同，最外圈太阳能光伏板17内侧高于外侧，其余太阳能光伏板均外侧高于内侧。
在本实施方案中，漂浮底架由互不相交的浮力压杆及多条拉索张拉成形而成，为张拉整体结构，其质量较轻且具有一定的弹性与抗撞击能力。碟形穹顶通过承重柱及三根径向下拉索将上方受到的部分外荷载传递至漂浮底架底部，当碟形穹顶下方受到外载荷时，可通过三根径向上拉索限制顶部节点位移，提高了装置的结构可靠性。碟形穹顶的内凹外形在一定时间段可将照射光线折射，从而二次吸收太阳能，提高了装置的太阳能吸收率。斜向拉索由内圈竖直压杆顶端连接至外圈竖直压杆底端，可有效提高碟式穹顶背面抗风荷载能力。
作为本发明的另一种实施方式，如图８所示，在其他实施方式不变的前提下，
碟形穹顶呈自周围向内先隆起再内凹的碟形，公共节点6分别通过一根斜向拉索12与一根定位拉索13连接至最为外圈竖直压杆15的顶端与底端，其他所有竖直压杆15顶端通过两根定位拉索13与径向相邻的竖直压杆15顶端相连并通过两根环向承重索11与环向相邻的竖直压杆15顶端相连，底端通过一根斜向拉索12与径向相邻的竖直压杆15顶端相连，环向拉索14将所有环向相邻的竖直压杆15底端依次相连。斜向拉索由外圈竖直压杆顶端连接至内圈竖直压杆底端，可有效提高碟式穹顶正面的承重能力。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，上述说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于张拉整体的碟形海上光伏发电装置，其特征在于：
包括漂浮于海面的漂浮底架和安装于漂浮底架上方的碟形穹顶；
所述的漂浮底架由六根浮力压杆（3）提供浮力，碟形穹顶的六个顶点通过一根斜向拉索（12）和一根定位拉索（13）分别连接至漂浮底架顶部的六个公共节点（6）；
所述的碟形穹顶通过增加竖直压杆（15）长度施加预应力，使碟形穹顶形成一个绷紧碟面，其最底端与承重柱（9）的顶部节点（10）相连，所述的承重柱（9）的底部节点（8）通过三根径向下拉索（2）将成形后碟形穹顶上方所受的部分外荷载传递至漂浮底架下端，顶部节点（10）通过三根径向上拉索（4）限制向上的位移。
2.如权利要求1所述的碟形海上光伏发电装置，其特征在于：
所述的漂浮底架整体呈螺旋六棱柱形，包括六根底部水平拉索（1），三根径向下拉索（2），六根浮力压杆（3），三根径向上拉索（4），六根垂向拉索（5），六个公共节点（6），六根顶部水平拉索（7），一个底部节点（8），一根承重柱（9）和一个顶部节点（10）；
所述的六根浮力压杆（3）内部中空，下端至中部外径较大，中部至顶端外径逐渐减小，下端呈正六边形分布，杆身沿同一方向与同一轴心螺旋排列，六个公共节点（6）位于浮力压杆（3）顶部且呈正六边形分布；
所述的底部拉索（1）将相邻浮力压杆（3）的下端依次连接，顶部水平拉索（7）将相邻的公共节点（6）依次连接，垂向拉索（5）将公共节点（6）连接至相邻浮力压杆（3）的下端。
3.如权利要求2所述的碟形海上光伏发电装置，其特征在于：
所述的承重柱（9）内部中空，位于漂浮底架的中央，其底部节点（8）低于漂浮底架并通过三根径向下拉索（2）与互不相邻的三根浮力压杆（3）下端相连，顶部节点（10）与碟形穹顶相连并通过三根径向上拉索（4）连接至径向下拉索（2）未连接的三根浮力压杆（3）下端。
4.如权利要求3所述的碟形海上光伏发电装置，其特征在于：
所述的碟形穹顶包括多根环向承重索（11）、斜向拉索（12）、定位拉索（13）、环向拉索（14）、竖直压杆（15）和一根中央压杆（16）；所述的碟形穹顶呈自周围向内先隆起再内凹的碟形，环向拉索（14）将所有环向相邻的竖直压杆（15）底端依次相连，最外圈竖直压杆（15）的顶端与底端分别通过一根斜向拉索（12）与一根定位拉索（13）连接至公共节点（6），其他所有竖直压杆（15）顶端通过两根环向承重索（11）与环向相邻的竖直压杆（15）顶端相连并通过一根斜向拉索（12）与径向相邻的竖直压杆（15）底端相连，底端通过两根定位拉索（13）与径向相邻的竖直压杆（15）顶端相连。
5.如权利要求4所述的碟形海上光伏发电装置，其特征在于：
所述的中央压杆（16）顶端通过六根斜向拉索（12）与最内圈竖直压杆（15）底端连接，底端固定于承重柱（9）的顶部节点（10）并通过六根定位拉索（13）与最内圈竖直压杆（15）底端连接；
所述的中央压杆（16）及竖直压杆（15）两两互不相交且仅受压力，环向承重索（11）、斜向拉索（12）、定位拉索（13）、环向拉索（14）均仅受拉力。
6.如权利要求5所述的碟形海上光伏发电装置，其特征在于：
所述的太阳能光伏板（17）安装于相邻两条环向承重索（11）之间，相邻两条环向承重索间距相同，最外圈太阳能光伏板（17）内侧高于外侧，其余太阳能光伏板均外侧高于内侧。
7.一种碟形海上光伏发电装置的安装方法，控制权利要求1-6任意一项所述的碟形海上光伏发电装置张拉成形，其特征在于：包括以下步骤，
步骤a，将六根浮力压杆（3）的底端及公共节点（6）分别依次连接，形成一个六棱柱，将六个公共节点（6）沿同一方向旋转至该方向相邻浮力压杆（3）底端的正上方并通过垂向拉索（5）连接，漂浮底架通过减小垂向拉索（5）张拉成形；
步骤b，将定位拉索（13）由中央交汇点沿六个方向分别连接至六个公共节点（6），最外圈竖直压杆（15）底端安装于定位拉索（13）的相应位置，顶端依次通过环向拉索（11）两两相连并通过六根斜向拉索（12）连接至六个公共节点（6），通过增加竖直压杆（15）长度或缩短斜向拉索（12）将最外圈结构张拉成形，其余各竖直压杆（15）均按照此方法安装；
步骤c，承重柱（9）通过改变三根径向下拉索（2）的长度从三个方向控制底部节点（8）的位移，通过改变三根径向上拉索（4）的长度从三个方向控制顶部节点（10）的位移，六根拉索在Z轴方向对承重柱（9）形成两个方向相反的合力，改变合力差则可控制承重柱（9）的垂向位置，使其顶部节点（10）与中央压杆（16）底端相连。
8.如权力要求7所述的碟形海上光伏发电装置的安装方法，其特征在于：
所述步骤a进一步包括，张拉成形后的漂浮底架顶部与底部的相对扭曲角θ可用下式计算：
其中，相对扭曲角θ为线段Oa与Of的夹角，O点为漂浮底架的底部旋转中心，a点为垂向拉索（5）底部端点，f点为垂向拉索（5）顶点b投影至漂浮底架底部的投影点，ω为浮力压杆（3）的数量。
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