一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构的制作方法

1.本发明涉及海上光伏发电技术领域，具体涉及一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构。


背景技术：

2.随着我国光伏产业的不断发展，陆上光伏和水上光伏(湖泊、水库、河流、浅滩、海湾等)产业日趋成熟。陆上光伏电站规模化建设需要大量土地，而在中东部地区，合适的土地资源非常紧缺，占用土地资源较少的水上光伏作为光伏电站的新兴形式应运而生，近年来得到业界的广泛关注，而海上相比湖泊、水库等有着更广阔的水面空间，海上光伏具有广阔的发展前景。
3.水上光伏分为漂浮式水上光伏和打桩式水上光伏，当水域水深较深、水位变化幅度大、水底地质不稳定时，打桩式水上光伏的建设成本和施工成本会急剧增加，此时漂浮式水上光伏更有优势。目前，漂浮式水上光伏电站建设主要集中于湖泊、水库、河流和有防波措施保护的海湾等水域，其浮体结构采用hdpe(高强度聚乙烯，high density polyethylene)吹塑而成，浮体吃水浅、干舷底，为防止波浪抨击光伏组件，仅适用于波高小于1m的海域，然而浮体材料强度弱，难以抵抗浮冰的作用。
4.因此，针对多种状况下的海洋环境，传统hdpe漂浮式光伏结构所适用的范围小，无法抵抗风浪变化下的恶劣海况，特别是针对海面上有海冰的地区，更是无法适用。为确保光伏结构在海上作业时的安全性及其风险问题，提出一种简单可靠的漂浮式海上光伏结构尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种适用多种海况环境、并具有抗风浪和抗冰能力的漂浮式海上光伏结构。
6.为此，本发明采用以下技术方案：
7.一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，包括漂浮式结构单元，以及布置在所述漂浮式结构单元上方的光伏阵列；所述漂浮式结构单元包括漂浮式基础和桁架结构，以及将所述漂浮式结构单元与海底泥面之间柔性连接的锚泊系统；所述桁架结构底部设置支脚部分，且所述支脚部分与所述漂浮式基础上部连接，使所述漂浮式基础围设而成的外部形成抗冰空间；所述漂浮式基础顶部的横截面面积大于其底部横截面面积，使所述漂浮式基础顶部与底部之间的外表面形成光滑过渡的爬冰部；所述漂浮式基础的底部形成与其上的所述爬冰部配合的抗冰部。
8.进一步地：所述漂浮式基础外表面围设有外板，且所述漂浮式基础顶部与底部分别设置顶板与底板，通过所述外板与所述顶板和所述底板连接将所述漂浮式基础内部封闭。
9.进一步地：所述漂浮式基础内设置支撑骨架。
10.进一步地：所述桁架结构布设所述光伏阵列的上部结构具有倾角。
11.进一步地：所述桁架结构所述支脚部分顶部的横截面面积大于其底部的横截面面积，使所述支脚部分顶部与底部之间的外表面可与所述爬冰部配合形成过渡的延展式驱冰部。
12.进一步地：所述桁架结构与所述光伏阵列配合处设置框架部分；所述框架部分内铺设连接有若干拉索，以及与所述拉索卡接配合的连接卡扣；所述连接卡扣与所述光伏阵列的光伏板底部连接，相邻的所述拉索配合所述连接卡扣形成对所述光伏板的支撑状态。
13.进一步地：相邻所述拉索上的所述连接卡扣之间连接有支架。
14.进一步地：所述漂浮式结构单元可适用于浅水潮差大易坐滩的海域；所述漂浮式基础底部为平整底面，使其可与海滩形成坐底状态。
15.进一步地：多个所述漂浮式结构单元可在目标海域呈独立锚泊布置、以及相连式阵列锚泊布置。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.(一)本发明提供的漂浮式海上光伏结构，具有在恶劣海况下抗风浪、抗冰能力强的特点，同时具备坐底能力，以适用于浅水潮差大易坐滩海域，在提高结构可靠性的同时保证结构运动稳定性，并进一步降低风险。同时在服役工况下，整体结构迎载面积小，抵抗海洋环境风浪流荷载的能力强。
18.(二)本发明通过轻量化钢桁架结构的上部结构，在保证对光伏组件的安装情况下，并根据钢桁架结构的利用面积，实现光伏组件结构尺寸、重量及其布置的最优化，从而减少建造成本，实现节约用海，进一步增加了经济性。
19.(三)本发明的漂浮式海上光伏结构根据海上光伏场区发电规模和场区空间，具有多种且灵活的排布方式，通过将漂浮式海上光伏结构灵活组合成多种光伏阵列，并且可以根据光伏阵列灵活布置锚泊系统，以保持光伏阵列的最佳光伏发电效率。
20.(四)本发明的弹性索系泊系统，使浮式基础适用于水浅潮差大的海域，保证了浅水系泊锚泊系统的安全及可靠性。
21.(五)本发明的大跨度桁架结构，减少整体桁架结构重量，从而提高海上施工效率，降低海上施工作业成本及风险。
附图说明
22.图1为本发明漂浮式结构单元的整体结构示意图；
23.图2为本发明漂浮式基础的外部和内部结构示意图；
24.图3为本发明桁架结构的结构示意图；
25.图4为本发明光伏板与拉索配合的结构示意图；
26.图5为本发明支架处的结构示意图；
27.图6为本发明漂浮式结构单元的抗冰原理示意图；
28.图7为本发明漂浮式结构单元的拖航示意图；
29.图8为本发明漂浮式结构单元的排布方式示意图；
30.图9为本发明图8中排布方式(二)的连接器结构示意图。
31.附图中的标记为：漂浮式结构单元a、漂浮式基础1、外板11、支撑骨架12、接缆点
13、桁架结构2、拉索21、支架22、连接卡扣23、支脚部分24、锚泊缆3、锚点基础4、光伏阵列5、光伏板51、连接器6、球铰支座61、连接杆62、连接弹簧63、连接缆绳7。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
33.如图1-9所示，一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，包括漂浮式结构单元a，以及布置在漂浮式结构单元a上方的光伏阵列5；漂浮式结构单元a包括漂浮式基础1和桁架结构2，以及将漂浮式结构单元a与海底泥面之间柔性连接的锚泊系统；桁架结构2底部设置支脚部分24，且支脚部分24与漂浮式基础1上部连接，使漂浮式基础1围设而成的外部形成抗冰空间；漂浮式基础1顶部的横截面面积大于其部横截面面积，使漂浮式基础1顶部与底部之间的外表面形成光滑过渡的爬冰部；漂浮式基础1的底部形成与其上的爬冰部配合的抗冰部。
34.本实施例中，漂浮式基础1以及与其配合的支脚部分24的数量皆为四个，同时桁架结构2的外形为长方形，且支脚部分24设置在桁架结构2的端点部分。支脚部分24沿漂浮式基础1中心竖立设置在漂浮式基础1上方。
35.如图1所示，桁架结构2支脚部分24顶部的横截面面积大于其底部的横截面面积，使支脚部分24顶部与底部之间的外表面可与爬冰部配合形成过渡的延展式驱冰部。
36.如图1和3所示，本实施例中，桁架结构2为大跨度框架结构，通过多根小直径圆钢管焊接而成，支脚部分24同样通过圆钢管围设成型，支脚部分24上的圆钢管与外板11外表面形成光滑连接，可进一步加强漂浮式结构单元a的抗冰能力。
37.如图1-2所示，漂浮式基础1外表面围设有外板11，且漂浮式基础1顶部与底部分别设置顶板与底板，通过外板11与顶板和底板连接将漂浮式基础1内部封闭。顶板与底板皆为封板，使漂浮式基础1内部形成密闭空间作为漂浮的基础。
38.如图2所示，漂浮式基础1内设置支撑骨架12。支撑骨架12对漂浮式基础1进行内部加强，以使得漂浮式基础1能够承受桁架结构2的重量以及海冰随海水移动造成的冲击。
39.如图1-2所示，本实施例中，漂浮式基础1为上大下小的圆台结构，外板11形成全方面的光滑过渡，使其与海冰接触时可减小对海冰的作用力，由此使得漂浮式基础1侧壁与海平面存在夹角，为具备良好的抗冰能力，夹角范围在45度至70度之间。如图6所示，在与海冰接触时，可使海冰沿外板11侧壁滑入水下，漂浮式结构单元a与海冰接触的一侧可被海冰抬起，由此可减小海冰对漂浮式基础1的作用力，并且在海冰随海水流动朝漂浮式结构单元a底部中心移动过程中，而海冰伸入过多的部分则会由于与漂浮式基础1接触发生倾斜状态下的翘脚，同时在锚泊缆3的拉扯以及漂浮式结构单元a自身重力的作用下对海冰倾斜的部分进行折断，以达到漂浮式结构单元a自主抗冰的效果。
40.其中，漂浮式结构单元a可适用于浅水潮差大易坐滩的海域；漂浮式基础1底部为平整底面，在潮位变化大的浅水海域，通过漂浮式基础1可使漂浮式结构单元a形成与海滩的坐底状态。
41.如图3-5所示，桁架结构2与光伏阵列5配合处设置框架部分；框架部分内铺设连接有若干拉索21，以及与拉索21卡接配合的连接卡扣23；连接卡扣23与光伏阵列5的光伏板51
底部连接，相邻的拉索21配合连接卡扣23形成对光伏板51的支撑状态。
42.其中，相邻拉索21上的连接卡扣23之间连接有支架22。多个连接卡扣23设置在单块光伏板51底部四周，最佳为通过连接卡扣23为光伏板51提供在光伏板51四角上的支撑点。单块光伏板51通过相邻拉索21上的支架22将连接卡扣23两端连接，最佳为支架22的轴向方向与拉索21的轴向方向垂直，并且支架22与拉索21间具有高度差。
43.如图4-5所示，本实施例中，若干拉索21排列分布在框架部分内，且相邻拉索21的排列间距为可通过支架22与光伏板51配合的距离，若光伏板51的尺寸规格一致则拉索21的排列间距最佳为一致，且拉索21采用弹性拉索，以此保证上部结构的足够轻量化。由于框架结构重量轻且上部结构可利用面积大，可以根据光伏板51单个尺寸及布置数量灵活设计桁架结构2展开尺寸，实现桁架结构2的尺寸、重量及光伏组件5布置的最优化，从而减少建造成本，实现节约用海。
44.支架22采用c型钢结构，通过支架22与光伏板51底部的配合使光伏板51布设在拉索21上方。连接卡扣23上设置可分体配合的第一连接件和第二连接件，第一连接件和第二连接件之间通过卡接配合将其们与拉索21固定连接或分离。
45.本实施例中，拉索21在安装时进行预张紧，确保其拥有足够的刚度，可以有效规避下部浮体运动造成的晃动与风致振动。拉索21在与桁架结构2的连接段安装有拉力监测仪与张紧器，当在运维期间监测到拉力较小时，运维人员可以对拉索21进行重新张紧。
46.如图1-3所示，桁架结构2布设光伏阵列5的上部结构具有倾角。进而光伏板51在桁架结构2表面可以实现满铺设置，避免了传统光伏在铺板时因为需要规避倾角造成的遮蔽而额外增加间距，以此增加光伏阵列5的发电量。
47.如图1所示，锚泊系统包括锚泊缆3和打入海底泥面内的锚点基础4；漂浮式基础1的外板11上设置与锚泊缆3连接的接缆点13。锚点基础4采用钢管桩。
48.本实施例中，锚泊缆3使用弹性索，提供运行工况下光伏阵列5的回复力，通过锚泊缆3预留的长度及弹性索的弹性伸缩能力，使漂浮式结构单元a适用于水浅潮差大的海域，保证锚泊系统的安全及可靠性。锚泊缆3的弹性索具有足够的强度，受到海冰作用时可抵抗冰推力，或将冰面割断。可根据海况条件、漂浮式基础1及漂浮式基础1上组成的光伏阵列5受力情况灵活选择合适的锚固形式，其中包括拖曳锚、吸力锚、混凝土重力锚、桩锚等。
49.如图8所示，多个漂浮式结构单元a具有多种排布方式，包括可在目标海域的独立锚泊布置、以及相连式阵列锚泊布置。具体锚泊布置方式如下：
50.排布方式(一)中，单个漂浮式结构单元a四点布锚单独布置；
51.排布方式(二)中，多个漂浮式结构单元a组成阵列，而相邻的漂浮式结构单元a间由连接器6或缆绳7进行连接，阵列外围布置锚泊系统；
52.排布方式(三)中，单个漂浮式结构单元a四点布锚，并与相邻单元共用锚固基础4。
53.如图8和9所示，排布方式(二)中，漂浮式结构单元a间的连接器6包括球铰支座61和配合件；球铰支座61配对设置在与相邻漂浮式结构单元a的端点部分处；通过配合件将两侧的球铰支座61连接起来；配合件采用连接杆62或连接弹簧63。在球铰支座61与连接杆62的配合形式下，球铰支座61保证了漂浮式结构单元a间的垂荡相互运动自由，连接杆62保证了漂浮式结构单元a间的相对距离；而在球铰支座61与连接弹簧63的配合形式下，利用球铰支座61保证了漂浮式结构单元a间垂荡相互运动自由的同时，利用连接弹簧63保证了漂浮
式结构单元a间水平运动的柔性。
54.请参阅图1-9，在对漂浮式海上光伏结构进行海上施工安装以及工作时，其具体方式以及步骤如下：
55.s1：在陆上分别且单独完成漂漂浮式基础1和桁架结构2的建造；
56.s2：目标海域预先进行锚泊系统的施工，并完成锚点基础4上锚泊缆3与锚位浮标的连接；
57.s3：完成建造后，在码头先通过龙门吊吊装合拢并焊接，之后进行桁架结构2上部光伏阵列5的安装及调试，以此采用陆上整体组装方式，减少海上作业时间，缩短施工工期，提高海上施工作业效率；再由龙门吊将组合完毕的漂浮式结构单元a吊至港口，并下放在海水中或吊装至甲板驳船上；同时，也可在选择船坞内组装完成后，由拖轮整体湿拖至海上施工现场，无需调遣大型驳船和吊装船机，大大降低了海上施工作业的成本和风险；在湿拖安装工况下，整体结构水平跨度大，恢复力矩大，具有较好的稳性；
58.s4：通过甲板驳船运输至目标海域的施工现场：本实施例的拖航工况如图7所示，此时，通过漂浮式基础1使漂浮式结构单元a浮于水面上，并由拖轮拖拽漂浮式结构单元a，由港口至海上作业地点进行现场施工；
59.s5：根据选定的漂浮式结构单元a排布方式进行施工布置，当漂浮式结构单元a运至安装位置后，通过完成漂浮式结构单元a接缆点13与锚位浮标上锚泊缆3的连接，从而完成整个锚泊系统对漂浮式结构单元a的安装；
60.s6：通过卡扣23将光伏板51排布在框架结构上，并以此完成光伏阵列5的安装，并且在服役工况下，整体结构迎载面积小，抵抗海洋环境风浪流荷载的能力强。
61.以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，包括漂浮式结构单元(a)，以及布置在所述漂浮式结构单元(a)上方的光伏阵列(5)；其特征在于：所述漂浮式结构单元(a)包括漂浮式基础(1)和桁架结构(2)，以及将所述漂浮式结构单元(a)与海底泥面柔性连接的锚泊系统；所述桁架结构(2)底部设置支脚部分(24)，且所述支脚部分(24)与所述漂浮式基础(1)的上部连接，使所述漂浮式基础(1)围设而成的外部形成抗冰空间；所述漂浮式基础(1)顶部的横截面面积大于其底部横截面面积，使所述漂浮式基础(1)顶部与底部之间的外表面形成光滑过渡的爬冰部；所述漂浮式基础(1)的底部形成与其上的所述爬冰部配合的抗冰部。2.根据权利要求1所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：所述漂浮式基础(1)外表面围设有外板(11)，且所述漂浮式基础(1)顶部与底部分别设置顶板与底板，通过所述外板(11)与所述顶板和所述底板连接将所述漂浮式基础(1)内部封闭。3.根据权利要求1所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：所述漂浮式基础(1)内设置支撑骨架(12)。4.根据权利要求1所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：所述桁架结构(2)布设所述光伏阵列(5)的上部结构具有倾角。5.根据权利要求1所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：所述桁架结构(2)所述支脚部分(24)顶部的横截面面积大于其底部的横截面面积，使所述支脚部分(24)顶部与底部之间的外表面可与所述爬冰部配合形成过渡的延展式驱冰部。6.根据权利要求1所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：所述桁架结构(2)与所述光伏阵列(5)配合处设置框架部分；所述框架部分内铺设连接有若干拉索(21)，以及与所述拉索(21)卡接配合的连接卡扣(23)；所述连接卡扣(23)与所述光伏阵列(5)的光伏板(51)底部连接，相邻的所述拉索(21)配合所述连接卡扣(23)形成对所述光伏板(51)的支撑状态。7.根据权利要求6所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：相邻所述拉索(21)上的所述连接卡扣(23)之间连接有支架(22)。8.根据权利要求1所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：所述漂浮式结构单元(a)可适用于浅水潮差大易坐滩的海域；所述漂浮式基础(1)底部为平整底面，使其可与海滩形成坐底状态。9.根据权利要求1所述的一种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，其特征在于：多个所述漂浮式结构单元(a)可在目标海域呈独立锚泊布置、以及相连式阵列锚泊布置。

技术总结
本发明提供了种抗冰自爬升漂浮式海上光伏结构，包括漂浮式结构单元，以及布置在所述漂浮式结构单元上方的光伏阵列；所述漂浮式结构单元包括漂浮式基础和桁架结构，以及将所述漂浮式结构单元与海底泥面之间柔性连接的锚泊系统；所述桁架结构底部设置支脚部分，且所述支脚部分与所述漂浮式基础上部连接，使所述漂浮式基础围设而成的外部形成抗冰空间，所述漂浮式基础顶部的横截面面积大于其潜入海内的底部横截面面积；本发明提供的漂浮式海上光伏结构，具有在恶劣海况下抗风浪、抗冰能力强的特点，同时具备坐底能力，以适用于浅水潮差大易坐滩海域，在提高结构可靠性的同时保证结构运动稳定性，并进一步降低风险。并进一步降低风险。并进一步降低风险。


技术研发人员：高山 李炜 许光明 何奔 王德志 吕君 任修迪 孙杏建 陈金忠 徐健 王刚
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：2023.03.15
技术公布日：2023/7/21