CN114872848B - 一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置，该装置主要由浮式框架、光伏穹顶以及系泊系统组成；浮式框架包括了按一定规律排列且互不相交的压杆，连接两个节点的拉索，以及安装在每根垂向拉索处的浮力装置组成；光伏六边形穹顶安装于浮式框架上方，包含多段环向拉索、径向多段脊索、径向多段斜索以及多根垂向压杆，通过施加预张力使穹顶达到稳定的形状并在其形成的坡面上布置太阳能光伏板；系泊系统为固定整体装置的系泊缆绳；本发明为全张拉整体式结构，利用索杆轴力构件代替传统受弯构件形成光伏发电装置支架，重量小支撑面积大，降低了浮力系统的设计难度，其承载能力高，可应对海上的恶劣环境荷载，同时光伏穹顶的较大坡面角度提高了太阳能光伏板的总体铺设面积，多单体的组合形式可充分利用光学折射和反射提高太阳能的吸收率。

Description

一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置

技术领域

本发明涉及近海结构与光伏发电结构领域，具体地说是一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置。

背景技术

随着我国经济高速发展，能耗需求大幅增加，能源和环境对可持续发展的约束越来越严重。因此，大力开发可再生能源利用技术将成为减少环境污染的重要措施，同时也是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择。陆上光伏方阵通常为了将太阳能转化率不惜扩大光伏板间的间距，这无疑浪费了相当一部分的土地资源。即便可将光伏方阵建立在荒漠地带，但这也大大增加了整个太阳能电厂的运维成本，这些限制了其在陆上的广泛应用。为了适应时代的发展，尽快完成碳中和的宏大目标，我们需要不断开发新的光伏结构。

相关技术中，中国专利申请号CN216056867U，公开了一种水面漂浮式光伏发电装置，包括光伏板、光伏支架以及漂浮底座，所述光伏板通过光伏支架固定在漂浮底座上，所述漂浮底座四角处均设有连接块，所述连接块内部开设有摆动槽，所述摆动槽内部转动连接有连接板，所述连接板上开设有固定孔，不同所述漂浮底座通过贯穿固定孔的螺栓组件进行固定；所述摆动槽上顶壁以及下底壁内均设有缓冲机构，所述缓冲机构靠近摆动槽的一侧设有弹性复位机构；相关技术的不足在于将光伏组件放置在浮动平台上，容易造成进入到浮动平台上的水浸泡光伏组件，使得光伏组件寿命缩短。

相关技术中，中国专利公开号CN204334424U，公开了一种多水域水面漂浮式密集型光伏发电装置，光伏发电单元包括光伏组件、浸塑支撑支架、水面漂浮装置和光伏组件安装框架，水面漂浮装置包括若干个平行设置的漂浮管件，若干个漂浮管件通过浸塑抱箍固定在若干个漂浮装置支架上，漂浮装置支架上固定浸塑支撑支架，浸塑支撑支架上端连接光伏组件安装框架。相关技术的不足在于，该密集型光伏发电装置的铺设方式未考虑到海、风、流对整体结构产生的合力作用与共振响应，无法很好地适应极端天气的作用。

因此，本申请克服上述现有技术中的弊端，在此基础上对浮式框架以及整体光伏结构进行优化，采用一种更为轻便高效的组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置解决所述存在问题。

发明内容

本发明通过提出一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置，索杆结构的使用可减轻总体结构的质量和成本，并通过光伏穹顶合理坡面角度的设置，增加光伏板的铺板面积。

为了达到上述目的，本发明提供了一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置。通过张拉整体结构，利用索杆结构代替传统的以梁柱为主要构件的光伏发电装置支架，在保证结构刚度和强度的情况下，减轻结构的重量、减少结构浮力系统的造价，从而达到降低结构成本的目的，同时，光伏穹顶提高了太阳能光伏板的总体铺设面积并通过光学折射和反射提高了太阳能吸收率。

本发明提供的一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置，包含可漂浮于海面的浮式结构，安装于浮式框架上方的铺设光伏板的穹顶结构，以及固定整体装置于海面的系泊系统组成；通过共用框架节点的方式可形成大片浮式框架，光伏穹顶组装成片投入使用后，不同坡面的光伏板之间相互发生折射与反射作用也可提高太阳能的吸收率。所述的浮式框架利用浮力装置提供主要浮力，光伏穹顶呈六棱锥的样式通过与框架节点连接的方式分布在蜂窝形浮式框架上方，整个装置通过系泊缆绳固定于海面。

所述的浮式框架包括了按一定规律分布的斜向压杆，按一定拓扑关系分布的上下端节点，垂向拉索，浮力装置及限制浮力装置过分运动的限位器以及上下两圈相互对应的环向拉索，按一定规律分布的斜向压杆构成张拉整体的整体骨架，上表面由多个框架节点、数根环向拉索构成的蜂窝状结构，下表面同样由多个框架节点、数根环向拉索构成的蜂窝状结构，垂向拉索将对应的框架上下节点进行连接。同时在三个蜂窝相交处，三根斜向压杆共用一个节点，其余斜向压杆按一定的规律按上述矩形框架环向向上进行布置，两两斜向压杆之间互不相交。所述的光伏穹顶由脊索、下斜索、垂向压杆、环索、太阳能光伏板、上端节点和下端节点组成；所述的光伏穹顶总体呈六棱锥形，其底部的六个节点分别由一条脊索与一条斜索连接至浮式框架对应的节点；光伏穹顶每圈沿环向包括的脊索、下斜索、垂向压杆、环索，中心位置设置一根垂向压杆，光伏穹顶的索杆圈数由其覆盖面积和设置坡度的大小共同决定；所述的太阳能光伏板分别布置在光伏穹顶六棱锥六个面处。

所述的系泊系统包括系泊缆绳，一端固定于海底，一端连接于海上光伏发电装置底部最外侧的节点，使组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置固定于指定海域进行太阳能的采集和发电。

上述的浮式框架上下方所有的环向拉索长度相同，中间通过斜向压杆支撑，通过减小垂向拉索长度对整体结构施加预应力，保证整体结构产生足够的刚度来维持其稳定平衡。

上述的浮力装置安装于浮式框架每条垂向拉索位置处，确保在不改变浮式框架结构的前提下提供结构所需的浮力，其外形呈球形或圆柱形，内部开孔供拉索穿过，浮力装置通过限位器安装于每条垂向拉索上。限位器使用时将收缩套固定安装在垂向拉索上，将收缩套装入带有固定器的浮力装置的弹性收缩孔内，当浮力装置受到风、浪、流产生的不平衡力时，通过浮力装置的上浮得到合理的浮力，当浮力装置不断向上移动收缩套会随着弹性收缩通孔的减小而逐渐收紧，直至到达收缩卡槽从而降低了结构对波浪荷载的敏感性。

上述光伏穹顶的中心垂向压杆的上端节点与六条脊索相连，下端节点与六条下斜索相连；其余垂向压杆的上端节点与两条脊索及一条斜索相连，下端节点与两条环索及一条斜索相连。

上述的位于同一平面的六条环索首尾相连，形成一个正六边形，所述的每个光伏穹顶最外围与浮式框架通过六个框架节点刚性连接，同时与相邻共用四根环向拉索，三根垂向拉索以及两根斜向压杆，其中环向拉索进行柔性连接。

上述的所有垂向拉索、环索、脊索、斜索、环向拉索只受拉力作用，所有斜向压杆和垂向压杆只受压力作用。

与相关技术相比，本发明有益效果如下：

（1）所述的浮式框架是由按一定规律分布的斜向压杆和多条索张拉成形的蜂窝状式的张拉整体结构，结构的承载能力强，重量小，具有一定的刚度和柔度，可应对海上复杂气候环境；

（2）所述的浮式框架通过共用节点与拉索和光伏穹顶进行搭建，在确保整体结构具有刚度、柔度、稳定的前提下，充分发挥了构件的拉压特性，进而节约了材料、减小了质量、降低了造价，且海浪能在构件之间形成的大量无遮挡空间中流动，降低了波浪荷载的影响；

（3）所述的浮式框架整体呈蜂窝状的构型，通过共用节点和拉索，以中心 辐射的样式进行布置，同时由于六棱锥的光伏穹顶的作用，当光线到达光伏板时通过相互反射与折射的作用，从而提高太阳能的转化率。

附图说明

图1为本发明的三维示意图；

图2为本发明的主视图

图3为本发明的限位器结构示意图

图4为本发明浮式框架的三维示意图；

图5为本发明光伏穹顶的三维示意图；

图6为本发明的蜂窝状的俯视图；

图7为本发明浮式框架计算成形图；

图8为本发明浮式框架迭代计算结果图。

图中标记如下：

1-脊索，2-斜索，3-环索，4-垂向压杆，5-上端节点，6-下端节点，7-框架节点，8-环向拉索，9-垂向拉索，10-斜向压杆，11-浮力装置，12-太阳能光伏板，13-系泊缆绳，14-限位器，1401-固定器，1402-收缩套，1403-卡槽。

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1-2所示，本发明提供了一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置包含可漂浮于海面上的浮式框架，安装于浮式框架上方的铺设光伏板的穹顶结构，以及通过刚性连接框架节点方式的相邻浮式框架并将整体装置固定于海面的系泊系统，该光伏穹顶经过组装成片后，光伏板之间的相互折射与反射可提高太阳能的吸收率。所述的浮式框架利用浮力装置11提供了主要浮力，通过限位器14控制了浮力装置的合理位置，使得结构更为地稳定。三组浮式框架通过侧面共用的框架节点7与环向拉索8相连，三个光伏穹顶呈蜂窝状的样式分布在每个浮式框架上方，整个装置通过系泊缆绳13固定于海面。

如图3所示，浮力装置11通过限位器14安装于每条垂向拉索上，使用时将收缩套1402固定安装在垂向拉索9上，将收缩套1402装入带有固定器1401的浮力装置11的弹性收缩孔内，当浮力装置11受到风、浪、流产生的不平衡力时，通过浮力装置11的上浮得到合理的浮力，当浮力装置11不断向上移动收缩套会随着弹性收缩通孔的减小而逐渐收紧，直至到达收缩卡槽1403从而降低了结构对波浪荷载的敏感性。

如图4所示，浮式框架包括了十五根按一定规律分布的斜向压杆10，按一定拓扑关系分布的上端节点5及下端节点6，垂向拉索9，浮力装置11以及限制浮力装置过分运动的限位器14上下两圈相互对应的环向拉索3；按一定规律分布的斜向压杆10构成张拉整体的整体骨架，上表面由多个框架节点7、数根环向拉索8构成的蜂窝状结构，下表面同样由多个框架节点7、数根环向拉索8构成的蜂窝状结构，随对应的垂向拉索9将上下的框架节点7进行连接。所述下表面的环向拉索8和其上方对应的环向拉索8以及连接上下环向拉索的框架节点7构成了矩形框架，每个矩形框架斜向对应的节点由斜向压杆10铰接连接，同时在三个蜂窝相交处共用三根斜向压杆10，其余斜向压杆10按一定的规律按上述矩形框架环向向上进行布置，两两斜向压杆10之间互不相交。浮式框架上下方所有的环向拉索8长度相同，通过向斜向压杆10施加预应力，改变环向拉索8的长度对整体结构施加预应力，保证整体结构在刚度足够的情况下的稳定平衡。同时，浮力装置11安装于浮式框架每条垂向拉索9位置处，通过限位器14保证了整体框架在稳定的情况下能获得合理的浮力支撑。

如图5所示，所述的光伏穹顶总体呈六棱锥形，其底部的六个节点分别由一条脊索1与一条斜索2连接至浮式框架对应的框架节点7，位于同一平面的六条环索3首尾相连，形成一个正六边形，所述的每个光伏穹顶最外围与浮式框架共用六个框架节点7。

如图6所示，所述的浮式框架包括按一定规律分布的斜向压杆，垂向拉索，浮力装置以及上下两圈分别相互对应的环向拉索；按一定规律分布的数根斜向压杆构成张拉整体的整体骨架，上表面由多个框架节点、数根环向拉索构成的蜂窝状结构，下表面同样由多个框架节点、数根环向拉索构成的蜂窝状结构，通过垂向拉索的连接使结构呈现一种蜂窝状式的稳定结构。在同等的条件下材质消耗更少、重量更轻而有着更大的强度与刚度，相较于其他结构有着更为出色的缓冲隔振的作用，能更好地面对海上的各类天气情况。

如图7所示，左侧为本发明浮式框架张拉成形前的结构形态，通过对斜向压杆10施加预应力，改变垂向拉索9和环向拉索8的长度对整体结构施加可行预应力，右侧为经过迭代计算后的结构形态。

如图8所示，浮式框架的环向拉索、垂向拉索与斜向压杆所受的应力在迭代计算后近三千次后趋于收敛，结构基本稳定。

在本实施方案中所述，浮式框架通过共用节点与拉索和光伏穹顶进行搭建，在确保整体结构具有刚度、柔度、稳定的前提下，减小了质量，节约了材料。除此以外六棱锥式的穹顶结构，使得光伏穹顶提高了太阳能光伏板的总体铺设面积并通过光学折射和反射提高了太阳能吸收率。在整体呈张拉的结构作用下能较好得应对弛振、颤振以及一些恶劣极端天气。

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 (4)

1.一种组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置，其特征在于：

包含蜂窝型浮式张拉整体框架，铺设太阳能光伏板的六棱锥索杆张力支撑结构，以及连接不同蜂窝型浮式张拉整体框架和固定支撑平台的系泊系统，所述光伏发电支撑装置组装、铺板后，太阳能光伏板之间相互的折射与反射提高了太阳能的吸收率；

所述的浮式张拉整体框架利用浮力装置（11）提供了主要浮力，三组所述浮式张拉整体框架通过框架节点（7）可按需不断连续扩大，形成大面积的蜂窝型浮式张拉整体框架，所述六棱锥式索杆张力支撑结构也是张拉整体结构，其装配于每个所述浮式张拉整体框架上，整个所述光伏发电支撑装置通过系泊缆绳（13）固定于海面；所述的浮式张拉整体框架包括了数根按一定规律分布的斜向压杆（10），按一定拓扑关系分布的上下端框架节点（7），垂向拉索（9），浮力装置（11）及限制浮力装置过分运动的限位器（14）以及上下两圈相互对应的环向拉索（8），按一定规律分布的斜向压杆（10）构成所述浮式张拉整体框架的整体骨架，上表面由多个框架节点（7）、数根环向拉索（8）构成蜂窝状结构，下表面同样由多个框架节点（7）、数根环向拉索（8）构成蜂窝状结构，垂向拉索（9）将对应的框架上下节点（7）进行连接；

所述下表面的环向拉索（8）和其上方对应的环向拉索（8）以及连接上下环向拉索的框架节点（7）构成了矩形框架，每个矩形框架斜向对应的节点由斜向压杆（10）铰接连接，同时在三个所述蜂窝型浮式张拉整体框架相交处共用三根斜向压杆（10）连接于一个同一个框架节点（7）上，其余斜向压杆（10）按一定拓扑规律互不相交进行布置；

所述的浮式张拉整体框架上下方所有的环向拉索（8）长度相同，通过向斜向压杆（10）施加预应力，改变环向拉索（8）的长度对整体结构施加预应力，使所述浮式张拉整体框架成为一个稳定的结构体系，并实现整体结构所需的刚度，所述的浮式张拉整体框架为张拉整体结构；

所述的浮力装置（11）安装于所述浮式张拉整体框架每条垂向拉索（9）位置处，确保在不改变所述浮式张拉整体框架结构的前提下提供结构所需的浮力，其外形呈球形或圆柱形，内部开孔供拉索穿过，浮力装置（11）通过限位器（14）安装于每条垂向拉索上，使用时将收缩套（1402）固定安装在垂向拉索（9）上，将收缩套（1402）装入带有固定器（1401）的浮力装置（11）的弹性收缩孔内，当浮力装置（11）受到风、浪、流产生的不平衡力时，通过浮力装置（11）的上浮得到合理的浮力，当浮力装置（11）不断向上移动，收缩套会随着弹性收缩通孔的减小而逐渐收紧，直至到达收缩卡槽（1403）从而降低了结构对波浪荷载的敏感性；

所述铺设太阳能光伏板的六棱锥索杆张力支撑结构为六棱锥光伏板支撑穹顶，

所述的六棱锥光伏板支撑穹顶由多段位于不同高度的脊索（1），多圈环索（3），多圈斜索（2），若干垂向压杆（4），太阳能光伏板（12），上端节点（5）和下端节点（6）组成；所述的光伏板支撑穹顶总体呈六棱锥形，其底部的六个节点分别由一条脊索（1）与一条斜索（2）连接至所述浮式张拉整体框架对应的框架节点（7），六条棱均匀按照长度布置多根垂向压杆（4）；所述的太阳能光伏板分别布置在所述六棱锥光伏板支撑穹顶的六个面处，所述的六棱锥光伏板支撑穹顶为张拉整体结构。

2.如权利要求1所述的组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置，其特征在于：

顶部垂向压杆（4）的上端节点（5）与六条脊索（1）相连，下端节点（6）与六条斜索（2）相连；其余非顶部的垂向压杆（4）的上端节点（5）与两条脊索（1）及一条斜索（2）相连，下端节点（6）与两条环索（3）及一条斜索（2）相连。

3.如权利要求2所述的组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置，其特征在于：

位于同一平面的六条环索（3）首尾相连，形成一个正六边形，每个所述的光伏板支撑穹顶最外围与所述浮式张拉整体框架通过六个框架节点（7）刚性连接。

4.如权利要求1所述的组合式索杆蜂窝型浮式光伏发电支撑装置，其特征在于：

所述的系泊系统包括系泊缆绳（13），一端固定于海底，一端连接于所述浮式光伏发电支撑装置底部外侧的框架节点（7），使整个所述浮式光伏发电支撑装置能在海面上保持平衡稳定，也形成了一个更大的张拉整体结构。

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