一种适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构的制作方法

1.本发明涉及海上光伏发电技术领域，具体涉及一种适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构。


背景技术：

[0002][0003][0004]
cn 110468817 a专利公布了一种固定式海上光伏发电平台支撑结构及其施工方法，通过将底部开口的箱型基础中的空气抽走，底部开口的箱型基础在负压的作用下被压入泥面并固定于泥面，再利用四根长立柱从泥面的箱型基础处一直延伸到水面上，对光伏组件的平台桁架形成支撑；cn 214574107 u专利，一种近海滩涂地基光伏筒型支架基础，也是采用类似思路，将底部筒型基础抽成负压，利用空气负压将开口向下的半封闭筒型基础压入泥面，从而牢牢固定于海底泥面，利用桁架从泥面筒型基础处一直延伸到水面上，对光伏组件形成支撑；韩国专利kr101853683中，则是利用桁架支腿向下直接延伸至泥面，对光伏组件形成支撑。以上设计均是针对固定式光伏，即支撑结构与泥面固定，和漂浮于水面上的漂浮式支撑结构有本质不同，受力、运动等特征有显著区别，固定式光伏支撑结构的设计无法直接作为漂浮式海上光伏支撑结构设计的参考。此外，固定式海上光伏支撑结构只能用于水深较浅、海况较好的近海，随着水深的增加、海况的逐渐恶劣，传统固定式结构为了能在深水中使用将被迫设计得原来越高，结构越来越复杂，最终丧失经济型。而漂浮式支撑结构由于漂浮于水面上，只用若干根系泊缆将漂浮结构与海底相连，对水深的增加不敏感，在深水海域使用更具经济型。
[0005]
漂浮式海上光伏支撑结构方面，cn106347596a专利公布了一种环形浮管式水面光伏发电系统及安装方法，利用刚性支架支撑组件以抵抗波浪载荷导致的变形，采用多层圆管设计，浮力均匀分布；但此设计由于浮体平行于水面横向布置，极限波浪载荷较大，且外围浮体水线面小，回复力矩主要由最外侧环形浮管提供，抗倾覆性有所欠缺；cn106411233a专利中公布了一种适应风浪环境易扩展式水面漂浮光伏发电装置及安装方法，设计为一种海上光伏刚性单元，采用刚性梁支架，浮体也是平行于水面拓展布置，因此其受到的极限波浪载荷也会较大；因此，需要提出一种能够减小波浪受载、合理传导波浪弯矩、具备优良稳性、能适用于大波浪恶劣海洋环境的海上光伏漂浮式支撑体系。


技术实现要素：

[0006]
本发明目的是提出一种波浪载荷受力小、力传导合理受弯更优、浮体边缘布置稳定性更优、适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构。
[0007]
为实现以上目的，本发明技术方案为：
[0008]
一种适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，包括光伏组件、桁架梁系支撑结构和浮体，桁架梁系支撑结构用于安装光伏组件；
[0009]
所述的桁架梁系支撑结构由布置在四周的四个边缘梁及四个角落支撑梁构成矩形框架，四个角落支撑梁分别位于矩形框架的四个角；相邻两个边缘梁的相邻端分别与角落支撑梁相邻的两个面连接在一起；矩形框架内部均匀间隔设置多个纵向支撑梁和多个横向支撑梁；
[0010]
所述的浮体为四个，分别与四个角落支撑梁连接并分别位于四个角落支撑梁的下面；浮体及光伏组件漂浮在水面上。
[0011]
所述的浮体竖直布置，光伏组件倾角为零度，浮体内部中空，浮体所在的竖直面与光伏组件所处的平面垂直。
[0012]
进一步的是，所述的角落支撑梁为长方体或正方体；所述的角落支撑梁包括八根角落支撑梁水平杆及四根角落支撑梁竖向杆；八根角落支撑梁水平杆构成上下两个方形框架，四根角落支撑梁竖向杆连接上下两个方形框架。
[0013]
进一步的是，所述的多个纵向支撑梁为两个，多个横向支撑梁为十五个；两个纵向支撑梁将所述正方形框架分隔成三个长方形，每个长方形内设置五个横向支撑梁；第一及第三长方形内的横向支撑梁两端分别与边缘梁及纵向支撑梁连接，第二长方形内的横向支撑梁两端均分别与两个纵向支撑梁连接。
[0014]
进一步的是，所述的纵向支撑梁具备和边缘梁完全相同的结构。
[0015]
进一步的是，所述的边缘梁包括四根边缘梁纵杆，分别为左侧两根边缘梁纵杆、右侧两根边缘梁纵杆，左侧两根边缘梁纵杆上下设置、右侧两根边缘梁纵杆上下设置，边缘梁纵杆两两之间相互平行，左侧上方的边缘梁纵杆与右侧上方的边缘梁纵杆在同一水平面上，左侧下方的边缘梁纵杆与右侧下方的边缘梁纵杆在同一水平面上。
[0016]
进一步的是，所述的左侧两根边缘梁纵杆之间由若干根边缘梁平面斜杆弯折连接，相邻两根边缘梁平面斜杆与左侧上方或左侧下方的边缘梁纵杆形成三角形；右侧两根边缘梁纵杆之间亦由若干根边缘梁平面斜杆弯折连接，相邻两根边缘梁平面斜杆与右侧上方或右侧下方的边缘梁纵杆形成三角形。
[0017]
进一步的是，所述的左侧上方的边缘梁纵杆与右侧下方的边缘梁纵杆之间由若干根边缘梁空间斜杆弯折连接，左侧下方的边缘梁纵杆与右侧上方的边缘梁纵杆之间亦由边缘梁空间斜杆弯折连接。
[0018]
进一步的是，所述的横向支撑梁设置有上下两根横向支撑梁横杆，多根横向支撑梁斜杆在上下两根横向支撑梁横杆之间弯折连接。
[0019]
本发明的有益效果是：
[0020]
(1)海洋环境中对海上漂浮式光伏内部威胁最大的是波浪，而波浪对海上光伏最重要的影响方式是其在波浪中拱中垂极限状态下的波浪弯矩；根据波浪理论，波浪载荷与浮体水线面面积正相关；为了减小作用在浮体进而传导给整个结构的波浪力，本发明在漂浮式光伏中设计了一种竖向放置的浮体，这和传统内陆水域水上漂浮式光伏浮体平行于水面的水平放置方式不同，竖向放置的浮体减小了浮体水线面面积，从而具备波浪载荷受力小、受波浪力小的优点。
[0021]
(2)为了将漂浮式光伏应用在波浪数倍甚至数十倍于内陆水域的海洋环境，具备能够抵御大波浪下极限弯矩的作用，本发明使用了更能抵抗弯矩的桁架结构，将抗弯更弱的梁受弯受力模式变为抗弯更强的杆件受拉压受力模式，桁架梁系结构力传导合理受弯更
优，极大程度上增强了结构的抗弯能力，提高了结构安全性。
[0022]
(3)浮体设置在漂浮式光伏单元四个角落处，漂浮式光伏发生倾斜时，浮体所受回复力能最大程度提供回复力矩，为漂浮式单元提供最大程度的稳定性，能够适用于大波浪的恶劣海洋环境。
[0023]
(4)本发明中，位于光伏组件下面的四个浮体为海上光伏系统提供足够的浮力，使光伏组件能够漂浮在海面上；与传统固定式海上光伏支撑结构需要将结构打入/压入海底进行固定的方式相比，本发明显著减少了材料用量，更具经济型，同时减少了海上作业的施工量及施工难度。
附图说明
[0024]
图1为现有技术海上光伏浮体横向布置方案。
[0025]
图2为本发明海上光伏浮体竖向布置方案。
[0026]
图3为波浪两种典型入射方向示意图。
[0027]
图3(a)为波浪入射方向为0度浪向角示意图。
[0028]
图3(b)为波浪入射方向为90度浪向角示意图。
[0029]
图4为浮体横向布置和浮体竖向布置两种方案在0度浪向角波浪入射方向时，所受波浪弯矩的对比。
[0030]
图5为浮体横向布置和浮体竖向布置两种方案在90度浪向角波浪入射方向时，所受波浪弯矩的对比。
[0031]
图6为本发明海上光伏漂浮单元及系泊系统整体示意图。
[0032]
图7为本发明海上光伏漂浮单元示意图。
[0033]
图8为本发明海上光伏浮体和桁架梁系支撑结构示意图。
[0034]
图9为本发明桁架梁系方形框架示意图。
[0035]
图10为本发明桁架梁系示意图。
[0036]
图11为本发明边缘梁及纵向支撑梁构造示意图。
[0037]
图12为本发明角落支撑梁构造示意图。
[0038]
图13为本发明横向支撑梁构造示意图。
[0039]
图14为8.4m波高下本发明的结构受力情况。
[0040]
附图标记：光伏组件z、水面s、桁架梁系支撑结构1、边缘梁1.1、边缘梁纵杆1.11、边缘梁平面斜杆1.12、边缘梁空间斜杆1.13、角落支撑梁1.2、角落支撑梁水平杆1.21、角落支撑梁竖向杆1.22、纵向支撑梁1.3、横向支撑梁1.4、横向支撑梁横杆1.41、横向支撑梁斜杆1.42、浮体2、系泊缆3。
具体实施方式
[0041]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0042]
图1和图2所示为同等条件下，现有技术浮体横向布置方案和本发明浮体竖向布置方案的对比，两方案中光伏组件数量一样，梁型号相同且重量、布局基本一致；目的是研究两种方案在同等条件下，比较波浪力大小。
[0043]
图3所示为浮体竖向布置时，浮体在海洋中所受波浪的两种典型的入射方向，分别为波浪入射方向为0度浪向角与90度浪向角。
[0044]
图4和图5所示为浮体横向布置和浮体竖向布置两种方案在两种典型波浪入射方向下，所受波浪弯矩的对比。浮体竖向布置方案所受波浪力会显著小于浮体横向布置方案，且在波浪周期变小时这种差距会更加明显，因此浮体竖向布置方案受波浪力更小。
[0045]
如图6和图7所示，本发明适用于大波浪环境下的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，包括光伏组件z、桁架梁系支撑结构1、浮体2和系泊缆3；桁架梁系支撑结构1用于安装光伏组件z，光伏组件z相对于桁架梁系支撑结构1的倾角为零度；光伏单元漂浮于水面s上，利用系泊缆3将漂浮式光伏单元与海底泥面固定，为漂浮式单元提供位移约束和稳性；系泊缆3一端固定于浮体2上，另一端固定于海底泥面；四根系泊缆3分别固定于四个浮体2上，浮体2为内部中空的腔体结构。
[0046]
如图8所示，布置在四周的四个边缘梁1.1及四个角落支撑梁1.2连接形成了桁架梁系支撑结构1的矩形框架，四个角落支撑梁1.2分别位于矩形框架的四个角；如图11所示的角落支撑梁1.2为长方体或正方体；
[0047]
如图9所示，正方形框架内部均匀间隔布置两个纵向支撑梁1.3和十五个横向支撑梁1.4，纵向支撑梁1.3的设置方向与主浪向一致。两个纵向支撑梁1.3将所述正方形框架分隔成三个长方形，每个长方形内设置五个横向支撑梁1.4；左侧长方形为第一长方形、中间的长方形为第二长方形、右侧长方形为第三长方形；第一及第三长方形内的横向支撑梁1.4两端分别与边缘梁1.1及纵向支撑梁1.3连接，第二长方形内的横向支撑梁1.4两端均分别与两个纵向支撑梁1.3连接。
[0048]
纵向支撑梁1.3的设置方向与主浪向一致，所述的主浪方向为统计海上光伏所在海域一年或几年内各个方向波浪出现的概率，如某一方向的波浪概率最高，则该波浪方向为主浪方向。
[0049]
如图10所示，每个边缘梁1.1包括四根边缘梁纵杆1.11，分别为左侧两根边缘梁纵杆1.11、右侧两根边缘梁纵杆1.11，左侧两根边缘梁纵杆1.11上下设置、右侧两根边缘梁纵杆1.11上下设置，边缘梁纵杆1.11两两之间相互平行，左侧上方的边缘梁纵杆1.11与右侧上方的边缘梁纵杆1.11在同一水平面上，左侧下方的边缘梁纵杆1.11与右侧下方的边缘梁纵杆1.11在同一水平面上；左侧两根边缘梁纵杆1.11之间由若干根边缘梁平面斜杆1.12弯折连接，每两根边缘梁平面斜杆1.12与左侧上方或左侧下方的边缘梁纵杆1.11形成三角形；右侧两根边缘梁纵杆1.11之间亦由若干根边缘梁平面斜杆1.12弯折连接，每两根边缘梁平面斜杆1.12与右侧上方或右侧下方的边缘梁纵杆1.11形成三角形；左侧两根边缘梁纵杆1.11与边缘梁平面斜杆1.12形成独立的平面桁架结构，右侧两根边缘梁纵杆1.11与边缘梁平面斜杆1.12亦形成独立的平面桁架结构。
[0050]
左侧上方的边缘梁纵杆1.11与右侧下方的边缘梁纵杆1.11之间由若干根边缘梁空间斜杆1.13弯折连接，左侧下方的边缘梁纵杆1.11与右侧上方的边缘梁纵杆1.11之间亦由边缘梁空间斜杆1.13弯折连接。
[0051]
四根边缘梁纵杆1.11、若干根边缘梁平面斜杆1.12及若干根边缘梁空间斜杆1.13一体成型，形成一个整体的空间桁架结构即边缘梁1.1。
[0052]
纵向支撑梁1.3具备和边缘梁1.1完全一致的结构，亦由四根边缘梁纵杆、若干根
边缘梁平面斜杆及若干根缘梁空间斜杆组成。
[0053]
如图11所示，角落支撑梁1.2由八根角落支撑梁水平杆1.21构成上下两个方形框架，再由四根角落支撑梁竖向杆1.22将上下两个方形框架进行连接，形成角落支撑梁1.2整体结构。
[0054]
如图12所示，横向支撑梁1.4设置有上下两根横向支撑梁横杆1.41，多根横向支撑梁斜杆1.42在上下两根横向支撑梁横杆1.41之间弯折连接，形成平面桁架结构，即横向支撑梁1.4。
[0055]
本发明使用更能抵抗弯矩的桁架结构，将抗弯更弱的梁受弯受力模式变为抗弯更强的杆件受拉压受力模式，极大程度上增强了结构的抗弯能力，提高了结构安全性。
[0056]
如图7所示，浮体2为长方体结构，长宽均为0.9m，高度为4m，壁厚取5mm，内部可根据实际情况考虑分舱和压载；四个浮体2分别布置在四个角落支撑梁1.2的下面；四个浮体2分别与四个角落支撑梁1.2焊接在一起；四个浮体2采用垂直于水面的竖向布置方式，相比浮体横向布置的方式而言，显著减小了波浪力，从源头上减少了结构所受载荷，提高了结构安全性。浮体设置在漂浮式光伏单元四个角落处，漂浮式光伏发生倾斜时，浮体所受的回复力能为漂浮单元最大程度地提供回复力矩，为漂浮式单元提供最大程度的稳性。
[0057]
如图13所示为8.4m波高下，本发明的结构受力情况，桁架钢管采用7cm直径、5mm壁厚，最大应力为212mpa，小于常用钢q355的应力要求，证明本发明能够承受住大波浪下的波浪载荷，能够适用于大波浪的海洋环境。
[0058]
本发明提供了一种适用于大波浪环境桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，具有浮体竖向放置受波浪力小、桁架梁系结构力传导合理受弯更优、浮体边缘布置稳性更优的优点。
[0059]
最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0060]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵”、“横”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”“内”、“外”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。

技术特征：
1.一种适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，包括光伏组件(z)、桁架梁系支撑结构(1)和多个浮体(2)，桁架梁系支撑结构(1)用于安装光伏组件(z)；其特征在于：所述的桁架梁系支撑结构(1)包括布置在周围的多个边缘梁(1.1)及多个角落支撑梁(1.2)，多个边缘梁(1.1)及多个角落支撑梁(1.2)构成矩形框架，多个角落支撑梁(1.2)分别位于所述框架的角落；相邻两个边缘梁(1.1)的相邻端分别与角落支撑梁(1.2)相邻的两个面连接在一起；所述框架内部均匀间隔设置多个纵向支撑梁(1.3)和多个横向支撑梁(1.4)；浮体(2)与角落支撑梁(1.2)连接并位于角落支撑梁(1.2)的下面；浮体(2)及光伏组件(z)漂浮在水面(s)上。2.如权利要求1所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的浮体(2)内部中空，浮体(2)与光伏组件(z)所处的平面垂直。3.如权利要求1所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的角落支撑梁(1.2)为长方体或正方体，角落支撑梁(1.2)包括八根角落支撑梁水平杆(1.21)及四根角落支撑梁竖向杆(1.22)；八根角落支撑梁水平杆(1.21)构成上下两个方形框架，四根角落支撑梁竖向杆(1.22)连接上下两个方形框架。4.如权利要求1所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的多个纵向支撑梁(1.3)为两个，多个横向支撑梁(1.4)为十五个；两个纵向支撑梁(1.3)将所述正方形框架分隔成三个长方形，每个长方形内设置五个横向支撑梁(1.4)；第一及第三长方形内的横向支撑梁(1.4)两端分别与边缘梁(1.1)及纵向支撑梁(1.3)连接，第二长方形内的横向支撑梁(1.4)两端均分别与两个纵向支撑梁(1.3)连接。5.如权利要求4所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的纵向支撑梁(1.3)具备和边缘梁(1.1)完全相同的结构。6.如权利要求4所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的纵向支撑梁(1.3)的设置方向与主浪向一致。7.如权利要求1或4所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的边缘梁(1.1)包括四根边缘梁纵杆(1.11)，分别为左侧两根边缘梁纵杆(1.11)、右侧两根边缘梁纵杆(1.11)，左侧两根边缘梁纵杆(1.11)上下设置、右侧两根边缘梁纵杆(1.11)上下设置，边缘梁纵杆(1.11)两两之间相互平行，左侧上方的边缘梁纵杆(1.11)与右侧上方的边缘梁纵杆(1.11)在同一水平面上，左侧下方的边缘梁纵杆(1.11)与右侧下方的边缘梁纵杆(1.11)在同一水平面上。8.如权利要求7所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的左侧两根边缘梁纵杆(1.11)之间由若干根边缘梁平面斜杆(1.12)弯折连接，每两根边缘梁平面斜杆(1.12)与左侧上方或左侧下方的边缘梁纵杆(1.11)形成三角形；右侧两根边缘梁纵杆(1.11)之间亦由若干根边缘梁平面斜杆(1.12)弯折连接，每两根边缘梁平面斜杆(1.12)与右侧上方或右侧下方的边缘梁纵杆(1.11)形成三角形。9.如权利要求7所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征在于所述的左侧上方的边缘梁纵杆(1.11)与右侧下方的边缘梁纵杆(1.11)之间由若干根边缘梁空间斜杆(1.13)弯折连接，左侧下方的边缘梁纵杆(1.11)与右侧上方的边缘梁纵杆(1.11)之间亦由边缘梁空间斜杆(1.13)弯折连接。10.如权利要求1所述的适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，其特征
在于所述的横向支撑梁(1.4)设置有上下两根横向支撑梁横杆(1.41)，多根横向支撑梁斜杆(1.42)在上下两根横向支撑梁横杆(1.41)之间弯折连接。

技术总结
本发明公开了一种适用于大波浪环境的桁架式海上光伏漂浮式支撑结构，包括光伏组件、桁架梁系支撑结构和浮体，桁架梁系支撑结构用于安装光伏组件，浮体连接在桁架梁系支撑结构四个角落的下面；桁架梁系支撑结构包括布置在四周的四个边缘梁及四个角落支撑梁构成矩形框架，四个角落支撑梁分别位于正方形的四个角，矩形框架内部均匀间隔布置两个纵向支撑梁和十五个横向支撑梁；本发明中浮体垂直水面布置，使得漂浮式支撑结构具备波浪载荷受力小、受波浪力小的优点，并且本发明将抗弯更弱的梁受弯受力模式变为抗弯更强的杆件受拉压受力模式，桁架梁系结构力传导更合理、受弯更优，极大程度上增强了结构的抗弯能力，提高了结构安全性。全性。全性。


技术研发人员：喻飞 段斐 刘玉亮 苏毅 张顺 张鹏 李成子 金乾 刘爽 袁博
受保护的技术使用者：长江勘测规划设计研究有限责任公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/3/14