CN117842296A - 一种适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，涉及海上光伏技术领域，其包括多个浮体平台和系泊系统，所述浮体平台之间通过系泊系统连接形成可拓展式多模块浮式光伏系统，其中，所述浮体平台包括由水线面以下向水线面以上方向依次布置的下浮体结构、甲板、光伏板，所述下浮体结构为漂浮钢桁架的浮体结构型式，包括：浮筒、下部框架、中间框架、上部框架和固定式直梯。本发明克服了连接件易损坏的缺点，可在复杂风浪流环境下，实现离岸浮式光伏系统的大面积布放、作业和运维。

Description

一种适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统

技术领域

本发明涉及海上光伏技术领域，尤其涉及一种适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统。

背景技术

离岸浮式光伏指在海面水域环境进行光伏发电，是一种新的能源利用方式和资源开发模式，具有发电量高、土地占用少、易与其它产业相结合等特点，有利于优化能源消费结构，商业化前景广阔，已逐渐成为行业发展的新方向和能源投资者争相参与的热点项目。

当前漂浮式光伏大规模应用主要集中在湖泊、水库、鱼塘、废水池等，其主要采用塑料浮箱结构加上部光伏板的形式，无法承受恶劣的风浪流等环境载荷。海域环境一般较为复杂、恶劣，风浪流复杂载荷的作用及水位升降对浮体的影响很大，故离岸浮式光伏需综合考虑系统的水动力特性、结构安全性、极端环境适应性以及经济性等一系列问题。

现有已公开的离岸浮式光伏技术多用于近海或遮蔽海域，环境条件较温和，其技术方案无法适用于恶劣海况。目前，挪威、芬兰等国也设计了针对远海海况的离岸浮式光伏方案，部分方案进行了模型试验或实海域测试，但暂未在实际工程项目中大规模应用。当前海上光伏方案多为单浮体或者铰接连接的多模块结构，连接件在恶劣海况下成为最易损坏的构件之一，成为光伏系统远海应用的技术瓶颈之一。目前大部分现有方案的建造、安装成本较高，不具有良好的经济性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是传统漂浮式光伏平台在强风大浪环境下易损坏、成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，包括多个浮体平台和系泊系统，所述浮体平台之间通过系泊系统连接形成可拓展式多模块浮式光伏系统，其中，所述浮体平台包括由水线面以下向水线面以上方向依次布置的下浮体结构、甲板和光伏板，所述下浮体结构为漂浮钢桁架的浮体结构型式，包括：浮筒、下部框架、中间框架、上部框架和固定式直梯。

优选地，所述浮筒为水平圆柱式空心浮筒，若干个所述浮筒组成正方形框架。

进一步地，所述下部框架为两根交叉布置的圆柱式钢管。

进一步地，所述上部框架为正方形框架，中间设置交叉布置的横梁；所述固定式直梯布置在下浮体结构的边缘处。

优选地，所述系泊系统包括：连接缆、锚链、抓力锚；所述连接缆挂在所述浮筒中部，通过所述连接缆将每两个浮体平台连接。

优选地，所述连接缆为柔性缆绳。

进一步地，所述锚链采用悬链线形式，包括质量小、刚度小的Ⅰ段和质量大、刚度大的Ⅱ段，所述I段的一端挂在每个下浮体结构浮筒正方形框架的最外侧一角，所述Ⅱ段的一端与抓力锚相连，通过所述锚链对每个基本单元进行系泊定位；所述抓力锚固定在海底面上。

优选地，所述甲板的骨架结构包括：甲板框架、横向骨材和纵向骨材；所述甲板框架包括圆柱形空心钢管组成的外部正方形框架和内部十字布置的横撑，所述横向骨材和纵向骨材均选用工字钢。

进一步地，所述甲板布置光伏板及光伏板支架，所述光伏板中间预留运维通道。

进一步地，所述光伏板支架包括：檀条、斜梁、斜撑、前立柱、后立柱，所述光伏板支架组合固定在所述甲板的横向骨材上。

本发明的技术效果：

1.本发明提供的适用于远海的可拓展式多模块漂浮光伏平台，克服了连接件易损坏的缺点，可在复杂风浪流环境下，实现离岸浮式光伏系统的大面积布放、作业和运维；

2.本发明采用钢结构，解决了塑料浮箱在海洋环境下易损坏问题；采用桁架式设计理念，降低钢用量，提升光伏平台经济性；采用水平圆柱浮箱结构，基于浅吃水和尺寸优化，减小光伏平台所受风浪载荷，提高结构安全性；

3.本发明采用水平圆柱形浮箱和高干舷设计，优化浮体主尺度，形成“随波逐流”效应，减小波浪爬升，杜绝波浪砰击光伏板可能性，与立柱相比，水平圆柱形浮箱水线面积大，吃水浅，潮位或者冰雨雪等附加载荷引起的浮体吃水变化比较小，对稳性和水动力性能影响不大；

4.本发明采用柔性缆绳连接方式，缆绳仅承受拉力，克服了弯扭力，对平台的运动性能有改善；

5.本发明甲板由一系列的工字钢等型材组成，大幅降低重量；另外，由于“镂空”特性，冰雨雪等可以及时通过孔隙离开平台，解决了堆积问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统总体方案示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏平台的下浮体结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统系泊系统结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统甲板结构示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统甲板布置示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统光伏板支架示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统甲板光伏阵列示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统总体方案主视图；

图9是本发明的一个较佳实施例的离岸浮式光伏系统总体方案左视图。

图中：1、浮筒；2、下部框架；3、中间框架；4、上部框架；5、固定式直梯；6、连接缆；7、锚链；8、抓力锚；9、甲板框架；10、横向骨材；11、纵向骨材；12、格栅板；13、光伏板支架；14、护栏；15、导线装置；16、电缆；17、逆变器；18、檀条；19、斜梁；20、斜撑；21、前立柱；22、后立柱。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

参考图1～图9，本发明公开了一种适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，以适应于海上光伏的支撑，包括多个浮体平台和系泊系统，所述浮体平台之间通过系泊系统连接形成可拓展式多模块浮式光伏系统，其中，所述浮体平台包括由水线面以下向水线面以上方向依次布置的下浮体结构、甲板、光伏板，所述下浮体结构为漂浮钢桁架的浮体结构型式，包括：浮筒1、下部框架2、中间框架3、上部框架4和固定式直梯5。

本发明为一种离岸浮式光伏系统，可实现在工作海况的风浪流环境中0.5MW级光伏系统的正常工作，同时在极端海况下还能够保证一定的承载能力。系统总体方案采用多模块连接的漂浮钢桁架式浮体平台，如图1所示，在一个具体实施例中，由4个浮体平台连接而成构成一个基本单元，浮体平台的数量可根据具体应用场景进行调整，优选的每个基本单元的发电量为0.5MW。

所述下浮体结构型式如图2所示，采用漂浮桁架式结构，设置了交叉布置的横撑和支撑上下框架的竖撑，增加了结构的强度，在环境载荷作用下运动响应好，通过优选的浮体结构尺寸可以顺应波浪，桁架式结构可以减重并且减小波浪爬升。

所述浮筒1为圆柱式空心浮筒，圆柱式空心浮筒组成正方形框架为整个光伏平台提供浮力，其设计干舷较大，能够提供较多的储备浮力，同时由于浮筒的分布距离平台的重心较远，有着良好的稳性，从而减小在波浪中运动的倾角。优选的，浮筒1采用水平圆柱形浮筒结构，与现有技术中的立柱相比，水平圆柱形浮箱水线面积大，吃水浅，潮位或者冰雨雪等附加载荷引起的浮体吃水变化比较小，对稳性和水动力性能影响不大，能够更好的适应潮位变化大或者易发生冰雨雪等天气的海域。下部框架2为两根交叉布置的圆柱式钢管，起到了支撑浮筒框架的作用，能够在较大外部载荷的作用下保证刚度和强度。中间框架3起到连接浮筒1和上部框架4的作用，上部框架4为正方形框架，中间设置交叉布置的横梁以保证框架的稳定性，上部框架4主要用于支持光伏平台，将平台的重量载荷向下部传递。固定式直梯5布置在下浮体的边缘处，方便日后运维人员上下平台。

本发明采用钢结构，解决了塑料浮箱在海洋环境下易损坏问题；采用桁架式设计理念，降低钢用量，提升所述浮体平台经济性；采用水平圆柱浮筒结构，基于浅吃水和尺寸优化，减小所述浮体平台所受风浪载荷，提高结构安全性。所述浮体平台可以在各类海况下随波逐流、减小波浪爬升和砰击概率；水平圆柱形浮筒布置可以带来较大的储备浮力和较强的稳性；桁架式设计具有较好的经济性。

所述系泊系统如图3所示，包括：连接缆6、锚链7、抓力锚8，通过系泊系统为各个浮体提供有效的水平运动约束并有较好的波浪适应能力。每两个所述浮体平台之间采用单根连接缆6进行连接，所述连接缆6为柔性缆绳，采用柔性缆绳，一方面连接件无需复杂设计，可采用成熟的缆绳技术，可靠性大幅提升；另一方面，缆绳连接克服了弯扭力，对平台的运动性能有改善，从根本上解决了传统铰接连接件的易损坏问题，为海上光伏阵列的大规模实施奠定基础。连接缆6挂在下浮体结构中的浮筒1的中部，在本发明的一个具体实施例中，每个基本单元通过4根连接缆6连接4个浮体平台；每个基本单元通过4根锚链7进行系泊定位，锚链7采用悬链线形式，每根锚链7由质量小、刚度小的Ⅰ段和质量大、刚度大的Ⅱ段组成，I段的一端挂在每个下浮体结构浮筒正方形框架的最外侧一角，Ⅱ段的一端与抓力锚8相连；抓力锚8固定在海底面上。系泊系统通过调整连接缆6、系泊锚链7的长度及预张力使得四个浮体平台在环境风浪流作用下仍能保持在合适、安全的位置，让光伏系统能够正常工作。

本发明对每一基本单元设计了连接缆6将浮体平台两两连接，所述浮体平台的四角设计了锚链7，连接缆6及锚链7共同约束浮体的水平运动，对连接缆6及锚链7设计一定的预张力，并通过数值仿真及模型试验优化缆的刚度、湿重、预张力等参数，在复杂环境载荷作用下，光伏平台模块之间不会发生碰撞，且有较好的波浪适应能力。

所述甲板的骨架结构如图4所示，其主要包含：甲板框架9、横向骨材10和纵向骨材11。甲板框架9由圆柱形空心钢管组成的外部正方形框架和内部十字布置的横撑构成，所述圆柱形空心钢管的型材尺寸较大，能够承受较大的载荷，抵抗甲板整体的总载荷。横向骨材10和纵向骨材11均选用工字钢，起到了加强和支撑的作用，一方面加强了甲板总体的承载能力，一方面作为光伏板的一个支撑。此种“镂空甲板”的形式，由一系列的工字钢等型材组成，大幅降低重量；另外，由于“镂空”特性，冰雨雪等可以及时通过孔隙离开平台，解决了堆积问题，适用于偏北方的有冰雪天气的海域或者降水量大的海域，可有助于减重、排水和除雪，也可以满足在极端海况的外载荷作用下的强度和刚度需求。

图5所示为甲板布置示意图，其主要包括：格栅板12、光伏板、光伏板支架13、护栏14、导线装置15、电缆16和逆变器17。格栅板12安装在甲板的骨架上，通过光伏板支架13将光伏板固定在格栅板12上，然后将光伏板的载荷均匀传递到甲板的骨架上，同时在光伏板中间预留运维通道，优选的，在两排光伏板中间预留一条运维通道，合理规划光伏板阵列排布，提前设计预留运维通道确保其可抵达任何光伏板，并在平台一侧预留舷梯，方便日后光伏板的运维工作的开展。在光伏平台运行中，对光伏平台在风浪流耦合作用下进行了充分模拟，将逆变器17放置在甲板气隙较大且运动加速度较小的位置，每一个光伏板输出的直流电会汇聚到逆变器17中转变成交流电，然后通过电缆16运送出去，同时设置安置电缆16的导线装置15，通过将电缆16适当抬高以避免其与海面接触的可能。

光伏板支架13的结构如图6所示，其由檀条18、斜梁19、斜撑20、前立柱21、后立柱22组成，通过调整光伏板支架13的倾斜角度可以优化不同纬度的光能利用效率，并有助于排水和除雪。所述光伏板支架13通过优化的组合方式固定在横向骨材10上，一种优选的阵列布置方式如图7所示，光伏板阵列共5列，中间排光伏板靠近舷梯处留出一定空间供维修人员登陆使用，另外，甲板上共留出8条运维通道，在舷梯处留有一个小平台供上下货，确保最大化面积利用率的同时保证运维的便捷。

本发明提供的离岸浮式光伏系统，可在每个基本单元的基础上进行拼接扩展，由于其较好的风浪流运动响应特性，可适用于海上规模化大面积集成布置。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，包括多个浮体平台和系泊系统，所述浮体平台之间通过系泊系统连接形成可拓展式多模块浮式光伏系统，其中，所述浮体平台包括由水线面以下向水线面以上方向依次布置的下浮体结构、甲板和光伏板，所述下浮体结构为漂浮钢桁架的浮体结构型式，包括：浮筒、下部框架、中间框架、上部框架和固定式直梯。

2.如权利要求1所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述浮筒为水平圆柱式空心浮筒，若干个所述浮筒组成正方形框架。

3.如权利要求2所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述下部框架为两根交叉布置的圆柱式钢管。

4.如权利要求3所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述上部框架为正方形框架，中间设置交叉布置的横梁；所述固定式直梯布置在所述下浮体结构的边缘处。

5.如权利要求1所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述系泊系统包括：连接缆、锚链、抓力锚；所述连接缆挂在所述浮筒中部，通过所述连接缆将每两个浮体平台连接。

6.如权利要求5所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述连接缆为柔性缆绳。

7.如权利要求6所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述锚链采用悬链线形式，包括质量小、刚度小的Ⅰ段和质量大、刚度大的Ⅱ段，所述I段的一端挂在每个下浮体结构浮筒正方形框架的最外侧一角，所述Ⅱ段的一端与所述抓力锚相连，通过所述锚链对每个所述浮体平台进行系泊定位；所述抓力锚固定在海底面上。

8.如权利要求1所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述甲板的骨架结构包括：甲板框架、横向骨材和纵向骨材；所述甲板框架包括圆柱形空心钢管组成的外部正方形框架和内部十字布置的横撑，所述横向骨材和纵向骨材均选用工字钢。

9.如权利要求8所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述甲板上布置光伏板及光伏板支架，所述光伏板中间预留运维通道。

10.如权利要求9所述的适用于远海的可拓展式多模块浮式光伏系统，其特征在于，所述光伏板支架包括：檀条、斜梁、斜撑、前立柱和后立柱，所述光伏板支架组合固定在所述横向骨材上。