浮管式光伏电站设计与施工技术

(中国电建集团 河北工程有限公司，河北 石家庄 050021)

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、确实的长寿命和免维护性等优点，在能源战略中具有重要地位。光伏发电安全可靠、无噪声、无污染排放、建设周期短，是国家近年来大力推进的清洁能源之一。

1 常见水上光伏方案介绍

1.1 管桩式

管桩式一般为水底插入管桩，然后在最高水位以上安装支架，安装光伏组件等。优点是工艺原理类似地面光伏电站，管桩稳定性好，适合较浅湖荡；缺点是插桩深度较深，施工难，打桩破坏湖荡水底，存在今后因桩体酥烂而拔不出桩的情况。

1.2 漂浮式

浮块式平台：利用高密度聚乙烯材料制成浮体，浮体呈连锁块式组成漂浮平台，光伏发电组件直接安装在浮块上，对水体覆盖面积大，不易固定。

浮筒式平台：利用密闭的不锈钢桶产生浮力，用型钢(兼光伏支架)连接到一起组成漂浮平台，在型钢上直接安装支架及光伏组件，浮体大面积覆盖水面，固定较难。

浮管式平台：利用密闭的聚乙烯管作为浮体，管道浸入水中，固定管道的支架作为光伏组件支架，浮体不覆盖水面，平面位置容易固定。

2 浮管式平台设计方案

2.1 问题分析

浮动装置分析：浮力一般通过设计都能达到。

浮动装置之间连接：采用热浸锌C型钢制成入水支架，将漂浮管固定，支架上安装光伏支架。

耐久性问题：将塑料材料暴露在户外，其吸收光的基团因吸收阳光而生成自由基，同时因氧的存在而被氧化，而且热氧化过程可能与光氧化过程叠加在一起。在日光紫外线的作用下，伴随空气中的氧、臭氧、NO2、H2S、水等成分的影响，塑料材料的性能会逐渐下降，主要表现为变色、失光。随着时间的推移则慢慢出现粉化、龟裂、剥离等现象。

2.2 解决方案

本方案的浮管添加抗氧化剂及光稳定剂，提高了高密度聚乙烯(HDPE)抗老化性，同时采用内外双层结构，在外层中添加碳黑，能有效反射紫外线，在塑料外表覆膜或电镀金属，起到反光与隔离空气的作用。本方案浮管浸入水中的设计，可有效避开阳光直射，隔绝空气，减少氧化；多根管道设计，不会发生同时漏水造成下沉现象，耐久性能达30年以上。浮动平台设计方案见图1。

图1 浮动平台设计方案

2.3 方案介绍

防水：光伏组件离水面1.5 m，远离溅水区，这不仅有利于通风，而且能够减少组件背板水汽结露，防止热浸锌支架受水锈蚀，增加水面透光而利于渔业养殖。

光伏组件：安装于光伏C型钢支架上，有利于施工和维修，平台刚度大，稳定性好，耐久性长。

浮筒耐久性四重保护：采用HDPE双壁波纹管，双层保护，耐酸耐碱耐高温耐冻融；环刚度高，耐冲击性强；添加碳黑、抗氧化剂、紫外光稳定剂；沉于水底，隔绝空气氧化。

随水位自动升降及定位：设滑杆，插入荡底2 m以上，并用斜索于4个方向固定，保持垂直，起到平台定位以及防止平台受风载左右大幅度移动的作用，同时对平台的上下浮动也起到滑杆作用，滑杆设最高限位，防止平台在大风时脱离滑杆。

防浮筒漏水平台下沉：滑杆上设安全绳，防止浮筒漏水下沉及大风时平台离开滑杆。滑杆设两段，可套接伸长或缩短，防止平台在很低水位时，滑杆的投影影响光伏板发电。

设挂养鱼篓：鱼篓内设一泡沫自浮，平台可增加鱼虾收获，大风时能阻止平台脱离水面。平台自重750 kg，不太可能出现脱离水面而被掀翻。

2.4 方案特点

本浮动平台特点: 接触水面面积小，每个平台只有两根管子接触水面，对水体影响小，符合渔业养殖要求，并符合当地水利部门的要求。浮筒设3道防护，保证耐久性。防溅水设计、防大风掀翻设计、自动随水位升降设计、防漏水下沉设计，多重保护，确保安全。

浮动平台的单元连接: 平台与平台间设链条连接，各个单元平台自由波动，但又相互连接，防止杆件发生受力过大而破坏。

浮管的保养: 浮管一般不会发生破坏，但应加强日常的巡视。在二排单元平台之间，都有1.8 m的通道，可以通过小船进入巡视。

浮管的拆装与更换:由于浮动平台设置了滑杆，在更换浮管时，只需将平台荷载转嫁到滑杆上，将浮管的压杆放开，浮管就可以更换了。更换可以在现场进行。

浮管的维修: 若浮管发生渗漏，是可以维修的。塑料浮管可以进行电热焊接密封，也可以通过塑料胶水补漏。

3 浮动平台施工

3.1 水面施工平台制作

本工程主要在水面上进行作业，作业施工平台为若干自制式浮船相连，该浮船主要由40角钢和容积为200 L的空柴油桶构成。浮船示意图如图2所示。

图2浮船示意图

单个油桶最大浮力为F浮(单)=ρ水V排g=2 kN，浮船总浮力为32 kN，浮船重约492 kg，取安全系数为1.2，则浮船最大荷载为2.25 t。

3.2 平台的固定

每个浮船上均装有马力为7的小型柴油机作为推动力，浮船到达工作水域后，根据施工作业面成排相互用绳子系牢，再绑扎在平台滑杆上，使安装作业水域布满浮船作为施工平台。

3.3 支架及组件安装

漂浮式支架浮体由8根长度7 700 mm、直径200 mm、壁厚6 mm的HDPE管组成。浮体共有2列，每列4根HDPE管自下而上排列，通过3组水平杆、竖向框架立柱、7 700 mm长浮体固定杆连接安装，距2列HDPE管竖向框架立柱底2 198 mm处均安装南北向通长浮管固定横梁，南北向固定横梁再与东西向3 600 mm长固定横梁连接，使两列浮管连接成一个整体。浮体组装完成后，在上部安装光伏组件支架及光伏组件。

漂浮式光伏组件可在靠近河塘的陆地码头处预先组合好，验收合格后，将组合好单阵列组件通过站位在码头上的吊车吊到水面。一个阵列全部入水后通过动力船牵引到指定位置，按设计要求锚固在固定桩上。

3.4 漂浮式单阵列支架及组件入水吊装

1)漂浮式支架及组件总质量为

Q=Q支+Q组=1 072+405=1 477 (kg)

2)起重高度为

H=h1+h2+h3=3+0.5+1.7=5.2 (m)

式中：h1为漂浮阵列高度；h2为吊装高度；h3为绳索高度。

3)参照常规汽车起重机性能表，选用8 t汽车起重机，其工作半径为6.2 m时吊臂长度8.5 m，起重高度6.8 m，起重量为2.2 t，能够满足使用。

4)考虑到漂浮阵列的尺寸，起吊点取4处。吊索长度相同时，每根吊索与铅垂线夹角相等，则每根钢丝绳理论受力为

式中：Q总为起重物体质量(起吊物质量+吊钩及绳索质量)；n为绳子数；K为由钢丝绳与铅垂线夹角θ决定的系数。取安全系数为8，得钢丝绳最小直径d=8.6 mm。

综上所述，使用普通直径为15.5 mm，规格为“6×19+1”的钢丝绳满足要求。光伏组串完成图如图3所示。

图3 漂浮式光伏组串完成图

4 电缆敷设

4.1 敷设方式

全厂电缆敷设主要采用电缆桥架、线槽和架空的方式,施工特点是施工区域均在水上，施工时需搭建浮船平台(见图3)，如遇起风天气平台会上下波动，增加施工难度。

4.2 敷设方法

电缆敷设时，电缆轴在组装浮船平台上要放置稳妥，或经现场实际测量出长度后，再在码头进行裁切，接着放置在浮船平台上，放置质量不能超出浮船载重的80%。施工人员在组装的浮船平台上进行施工，钢轴的强度和长度要与电缆盘的质量和宽度相配合，对较重的电缆轴考虑加刹车装置。电缆要从电缆轴上端引出，不能使电缆在支架及地面上摩擦拖拉。

电缆敷设时，要排列整齐，尽量避免交叉，并联使用的电力电缆的长度、型号、规格要相同。高压电力电缆的终端头或中间接头附近留有1个电缆头的备用长度。电缆敷设完毕后，要及时清除杂物，盖好盖板。

5 箱变平台安装

5.1 结构形式

箱变平台主要由预应力方桩(管桩)和钢结构平台两大部分组成，平台一般分为桩侧梁层、平台梁层、设备梁层3层结构。平台梁层上铺花纹钢板，平台采用钢栏杆围护，箱变平台钢结构材料主要在制作场放样制作，在水上吊装进行组装。

5.2 平台组装

平台施工时需搭建浮船平台(见图3)，用浮船平台将钢材运送至施工平台处固定在预应力方桩(管桩)上，利用5 t浮吊将平台层、设备层钢梁吊装就位，然后点焊，所有钢梁(柱)按设计拼装完成后再进行满焊，桩侧梁层可利用倒链进行拼装焊接。

6 箱变吊装

箱变设备吊装受工期、水位或周围河道桥梁等因素的影响，较难使用制式的浮吊船进行吊装作业，根据实际需要可在现场组装一座浮吊船进行施工。现以吊装质量为6 t的箱式变压器为例，吊装时采用载重吨位为174 t的大型平板船舶上固定1台25 t汽车吊进行起重作业。施工前，将25 t汽车吊在码头驶上船舶，待吊车在船舶上就位且液压支腿伸展完毕后，用10#槽钢制成两道门型框将吊车每根液压支腿与船体焊接牢固，保证吊车不会因起吊过程中船体倾斜而滑动。吊装前期准备工作完成后，将箱式变压器吊至平板船舶甲板上，平板船舶总长34.5 m、驾驶舱长5 m、汽车吊长12.5 m，船尾余留3 m可放置2台箱式变压器，箱变固定稳妥后运输至平台处水域。进行吊装时将平板船舶两侧固定地锚插入鱼塘底部稳定船身。见图4及图5。

图4 箱变设备吊装

图5 箱变设备就位

7 结语

本文对水上光伏浮管式平台设计方案进行了介绍，并对施工技术进行总结，从而达到优化工艺，实现能源和生态持续发展的目的，同时为后续水上光伏项目的设计、施工提供了参考实例，也为深入研究浮管式平台的可行性和进一步推广提供实际数据。