一种海上深水自稳性抗浪型漂浮式光伏浮体结构及其施工方法与流程

1.本发明涉及一种适用于开敞海域的抗浪型自稳性深水漂浮式光伏浮体结构，适用于海上光伏发电领域，特别是用于开敞外海区域的海上漂浮式发电领域。


背景技术：

2.近年来，可再生绿色能源逐渐成为全球能源领域追逐的对象，光伏发电以其可再生、易获取、无污染及安全可靠等优势正逐渐成为新能源行业中的重要力量。陆上光伏电站建设占地面积大，用地浪费明显，相对的，内陆水面光伏可以布置于闲置水域，如湖泊及水库上方。然而，内陆水资源亦有限，我国的集中式光伏电站开发方向逐渐由内陆转为海上漂浮式光伏电站。
3.我国适合海上漂浮式光伏布置的海域面积约71万平方公里，理论上可安装海上光伏近7亿千瓦。因此，海上漂浮式光伏电站具有广阔的开发前景。
4.目前国内外对于海上漂浮式开发均处于前期摸索阶段，国际上尚无真正意义上的海上漂浮式光伏商业项目，且针对的目标海域主要为近海滩涂或峡湾地区。然而，对于处于开敞海域的漂浮式光伏开发来说，海上风浪环境载荷的要求要恶劣的多，浮体整体重量较小，尺寸亦较小，在高海况下，尤其是台风环境下难以保持足够的稳性，极易倾覆。目前传统漂浮式光伏的浮体结构主要采用高密度聚乙烯(hdpe)材料，其密度较低，质量较轻，无法提供足够的稳心高。同时由于整体体积较小，难以装填足够的压载来降低重心提高稳性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种合理、有效的稳定的自稳性抗浪型漂浮式海上光伏浮体结构，能够更好地适用于开敞外海区域，有效抵抗风浪载荷。为此，本发明采用以下技术方案：
6.一种海上深水自稳性漂浮式光伏浮体结构，其特征在于：光伏浮体结构由上部框架和下部自稳性浮体组成漂浮式基础单元，所述自稳性浮体包括方形顶点布置的四组结构，每组结构包括浮箱和连接在浮箱下方的垂荡板，采用混凝土垂荡板降低整体重心，形成方形顶点布置的自稳结构，同时，垂荡板为光伏浮体结构提供回复阻尼，减少其垂向运动幅值，提高稳定性，达到自稳性目的。
7.在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：
8.所述上部框架采用切角正方形结构，所述四组结构位于切角形成的边的下方。进一步地，所述切角正方形结构优选为正八边形结构。这样，不仅便于上部光伏板的布置，并且，稳定性好，浮箱所受的波浪载荷能够向相邻两边的框架传递，共同承担。
9.本发明中连接系统由弹性连接缆或聚酯缆以及船用充气护舷组成。弹性连接缆用来限制方阵中浮体单元的分离运动范围，连接在浮体上，避免钢制框架受到拉力导致结构
变形。在下部自稳性浮体的边缘位置预留导缆孔用以连接锚泊系统，或与相邻漂浮式基础单元相连，形成漂浮式光伏矩阵，以提高高海况自持能力、深水适应能力、模块化制造、降低建造成本和缩短施工工期，保障其实际工程应用中的可靠性与经济性。
10.上部框架周边设置护舷，避免由于漂浮式浮体单元间运动碰撞造成结构破坏。
11.本发明中漂浮式光伏浮体结构的浮力主要来源为四个方柱或倒角方柱结构，结构内部通过焊接支撑骨架对浮体结构进行加强；方柱上下表面通过封板焊接，使其形成一个密闭空间作为浮式基础，也可采用抗腐蚀性混凝土与钢筋结构作为浮体主要材料；方柱放置时，使方柱间为倒角相对，减少柱间由于垂直立板产生的波浪叠加引起的极端浪高；方柱下方从方柱内部延伸出钢管结构，结构底部连接钢筋混凝土预制板作，降低结构整体重心，提高稳性。需注意，本发明中，混凝土预制与浮体立柱之间通过连接杆连接，可以调节重心，使漂浮式光伏浮体结构与光伏板的整体的重心降低至浮心之下，达到漂浮式结构整体具备较佳的自稳的性特征。同时，混凝土预制板可以为整体结构提供回复阻尼，提高结构稳定性。同时，钢结构部分采用光伏板直供外加直流电流防腐，在结构整体均涂装防腐涂层。
12.本发明中系泊系统采用锚链或聚酯缆等材料作为系泊线，连接漂浮式基础单元与锚固系统，为漂浮式基础单元以及由漂浮式基础单元组成的漂浮式光伏方阵提供必要的回复力以及限制其运动幅值，通过在系泊系统设计中增大锚点跨距，加长系泊线的躺底段长度以及采用高弹性材料的方式，提升其不同波浪海况及潮差下的适应性，提高整体系统的可靠性。对于漂浮式光伏方阵(由多个漂浮式基础单元组成)，可采用多点系泊方式对浮体方阵进行限制。
13.本发明中锚固系统可根据漂浮式光伏布置海域的海况及漂浮式方阵特点进行选择，包括拖曳锚、吸力锚、混凝土重力锚、贯入锚、桩锚等。
14.本发明中上部框架可采用钢框架，钢框架型为多边形桁架结构。采用工字钢作为桁架内部连接结构，采用c型钢作为外围框架结构。框架结构与浮体之间采用支撑钢架结构连接。若采用混凝土浮体，则可在混凝土浇筑前预制连接支撑结构，通过预留法兰或焊接用钢板来固定钢框架。在结构框架大跨度两端连接预应力拉索。在预应力拉索上布设光伏板，确保光伏板在框架结构上实现满铺。
15.本发明还提供了上述海上深水自稳性漂浮式光伏浮体结构的施工方法，其具有以下特征：
16.上部框架和浮体分别建造，并在加工厂或组装码头完成漂浮式基础单元组装及光伏板在上部框架上的铺设；漂浮式基础单元在陆上生产组装的同时，系泊系统及锚固在海上进行抛设布置，在系泊端保留浮体使其在连接漂浮式基础前保持在水面附近，待漂浮式基础单元运输至目标海域后，再行连接组装；漂浮式基础单元从码头运输至目标海域可采用码头起重设备将结构吊装至甲板驳船上，采用船装吊机活滑移式下水方式放置在目标海域；若采用较大型结构，也可在船坞或船台上组装完毕下水后，由拖轮湿拖至目标海域进行与系泊系统及其它漂浮式基础单元的组装。
17.综上，采用本发明技术方案具有以下技术效果：
18.1)提供了具备自稳性的海上漂浮式光伏浮体结构，具有较高的抗风浪能力及高海况下生存能力，适用于深远海及风浪环境恶劣海域。
19.2)提供了多边形框架结构作为海上漂浮式光伏基础提供支撑基础，结构尺寸可根
据光伏布置需求以及场区海况而定，平面利用率更好，且提出了浮体单元间连接缆与护舷组合的连接型式，避免碰撞造成的结构损坏。
20.3)采用了钢筋混凝土预制板作为垂荡板，且在均匀布置的四周立柱下布置，减小整体运动幅值，提高漂浮式光伏稳定性。
21.4)采用预应力拉索作为光伏板支撑结构之一，使总重量减轻的同时，使上部轻量化，利于降低重心，提高稳性，增加经济性。
22.5)提出了模块化组装施工海上漂浮式光浮体单元的建造方法及运输方法，缩短建设工期，提高海上生产效率。同时浮体单元各个部分结构型式简单，易于生产、安装及运输。
附图说明
23.图1为本发明漂浮式结构单元示意图；
24.图2为本发明结构侧视图；
25.图3为本发明漂浮式基础中浮体与钢桁架位置布置图(俯视图)；
26.图4为本发明钢框架示意图；
27.图5为本发明浮体与垂荡板结构示意图；
28.图6为本发明相邻漂浮式单元示意图。
具体实施方式
29.为进一步说明本发明内容、特点与功效，兹列举一个实施例，并配合附图对本发明进行详细说明。
30.如图1所示，本发明提供的自稳性抗浪型漂浮式光伏浮体结构，由上部框架和下部自稳性浮体组成，实施中，包含以下组成部分：多根浮体立柱1、下部连接杆2与上部连接杆9、混凝土垂荡板3、钢制框架结构4、充气护舷8、弹性拉索10。
31.浮体立柱1为方柱或倒角方柱结构，通过下部连接杆2与混凝土垂荡板3相连。钢制框架结构4为工字钢与c型钢组合而成的大跨度八边形钢框架，通过上部连接杆9与浮体立柱1相连。在下部自稳性浮体的边缘位置预留导缆孔用以连接锚泊线5，或连接联系缆7而与相邻漂浮式基础单元相连，形成漂浮式光伏矩阵。锚泊线5采用弹性拉索材料，使其能构满足高潮差变化，锚泊线5连接锚固6，锚固6采用钢管桩的型式，也可根据使用海域海床岩土及相应标准采用重力锚，贯入锚等其它锚固型式。钢制框架结构4采用正八边形钢框架，浮体立柱1位于正八边形钢框架4的四条斜边的下方(视为正方形形成切角的斜边)，沿钢制框架结构4的周长均匀布置，也即间隔正八边形的一条边布置。
32.所述弹性拉索10作为预应力拉索，连接在正八边形钢框架4的左右相对(或前后相对)的框架边之间，能够起到为光伏板提供承载的作用。
33.本实例先在陆上实施浮体基础(含浮体立柱1、连接杆2、混凝土垂荡板3)与钢制框架2的建造，完成后，运输至安装码头由吊机组装焊接。然后进行光伏组件的铺设安装，由吊车将由浮体基础与钢制框架2组合体(即漂浮式光伏单元，正八边形钢框架4上已铺设光伏板)吊装至甲板驳船上，由甲板驳干拖至施工海域。
34.本实例中漂浮式光伏单元通过甲板驳运输至施工海域的同时，在施工海域布置锚泊线5及锚固6，在锚泊线顶端挂浮子，以便于漂浮式光伏单元运输至目标海域后，与漂浮式
光伏单元相连接。
35.本实施例中，漂浮式光伏方阵由漂浮式光伏单元组成。单元间通过联系缆7连接，所述联系缆7可采用聚酯缆。聚酯缆7连接在立柱1的上端，同时，在钢制框架2侧面不连接浮体立柱这一边安装防撞充气护舷8，避免碰撞造成的结构损坏。
36.以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“内侧”、“水平”、“端部”、“长度”、“外端”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。用语“第一”、“第二”也仅为说明时的简洁而采用，并不是指示或暗示相对重要性。

技术特征：
1.一种海上深水自稳性漂浮式光伏浮体结构，其特征在于：光伏浮体结构由上部框架和下部自稳性浮体组成漂浮式基础单元，所述自稳性浮体包括方形顶点布置的四组结构，每组结构包括浮箱和连接在浮箱下方的垂荡板，形成方形顶点布置的自稳结构。2.如权利要求1所述的一种海上深水自稳性漂浮式光伏结构，其特征在于：所述上部框架采用切角正方形结构，所述四组结构位于切角形成的边的下方。3.如权利要求2所述的一种海上深水自稳性漂浮式光伏结构，其特征在于：所述切角正方形结构为正八边形结构。4.如权利要求1所述的一种海上深水自稳性漂浮式光伏结构，其特征在于：所述垂荡板通过连接杆与浮箱连接。5.如权利要求1所述的一种海上深水自稳性漂浮式光伏结构，其特征在于：在下部自稳性浮体的边缘位置预留导缆孔用以连接锚泊系统，或与相邻漂浮式基础单元相连，形成漂浮式光伏矩阵。6.如权利要求1所述的一种海上深水自稳性漂浮式光伏结构，其特征在于：上部框架周边设置护舷，避免由于漂浮式浮体单元间运动碰撞造成结构破坏。7.如权利要求1所述的海上深水自稳性漂浮式光伏浮体结构的施工方法，其特征在于上部框架和浮体分别建造，并在加工厂或组装码头完成漂浮式基础单元组装及光伏板在上部框架上的铺设；漂浮式基础单元在陆上生产组装的同时，系泊系统及锚固在海上进行抛设布置，在系泊端保留浮体使其在连接漂浮式基础单元前保持在水面附近，待漂浮式基础单元运输至目标海域后，再行连接组装；漂浮式基础单元从码头运输至目标海域可采用码头起重设备将结构吊装至甲板驳船上，采用船装吊机活滑移式下水方式放置在目标海域；也可在船坞或船台上组装完毕下水后，由拖轮湿拖至目标海域进行与系泊系统及其它漂浮式基础单元的组装。

技术总结
本发明提供了一种海上深水自稳性抗浪型漂浮式光伏浮体结构及其施工方法，适用于海上光伏发电领域，特别是用开敞外海场区域的海上漂浮式发电领域。本发明中浮体平台采用混凝土垂荡板降低平台重心，使重心位置位于浮心之下，形成自稳性状态。同时，用以降低重心的混凝土垂荡板可提供足够的附加阻尼，减小平台横纵摇幅值。保证在高海况下的平台稳定性。同时，本发明选取了适用于本发明中结构的布置方式及模块化施工方式，具有较强的可实施性。具有较强的可实施性。具有较强的可实施性。


技术研发人员：任修迪 李炜 熊根 王德志 张宝峰 夏露 吕君 沈侃敏 高山
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/6/3