漂浮式光伏电站自适应水位变化的防护系统设计

张莉，赵进科

(华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046)

0 引言

随着可用于建设光伏电站的土地资源日益紧张，水面光伏电站的建设正逐渐兴起[1]。尤其是在近几年对采煤沉陷区水面的大规模开发利用中[2]，水面漂浮电站的建设进入了快速发展阶段。

水面光伏电站目前主要有固定桩式和漂浮式等2种[3]：固定桩式主要应用于水深小于3.00 m的浅水区[4]，主要施工方法是将长预制管桩打入水底用以固定，可将水塘存水抽空或采用打桩船进行施工；漂浮式光伏电站是一种较为新型的光伏电站，主要应用于水面径流稳定(水位变化小于6.00 m)的水面。

光伏组件采用浮筒或者浮箱固定，光伏阵列一般采用打桩牵引式或岸边地锚式(即采用拉索对整个漂浮电站进行牵拉)固定，以防止其在风和波浪的作用下大范围移动。虽然在电站设计时考虑了水流对单个浮体的冲击[5]，但是在光伏阵列牵引点的局部载荷仍然很大。即使对水面漂浮阵列采取了一定的牵拉措施，国内个别新建水面漂浮电站仍然出现了较大规模的光伏阵列漂移、碰撞等安全事故。

由此可见，漂浮式光伏电站在应用上还存在一些问题，尤其在水位变化较大或者水位较深的水域目前基本没有应用。我国南方广大地区有大量的湖泊和水库，根据水库的蓄洪、调洪和发电需要，水位变化较大、水流也不稳定，应用漂浮式光伏电站的难度较大。

自适应水位变化的防护系统可以根据水位变化自动升降，对光伏阵列进行防护，可有效保证漂浮光伏电站在水位变化的水面上安全、稳定运行，具有较大的应用前景。

1 布置与构成

防护系统布置在水面光伏组件阵列周围，主要由防护钢结构、锚链、锚块及卷链机构组成，如图1所示。

图1 防护系统布置Fig.1 Layout of the protection system

防护钢结构可以根据所在水域的水流情况合围成不同的形状，以抵御水流和污物的冲击。

防护系统与光伏组件阵列的浮箱支架之间采用柔性耐腐蚀的绳索连接，如图2所示。当光伏组件阵列之间发生相对运动时，防护系统可以对其进行牵拉，以避免较大的冲击。

图2 防护系统与光伏阵列的连接Fig.2 Connection between the protection system and PV array

防护钢结构的钢梁间通过销轴进行铰接。钢梁采用4个密封空心的箱型梁焊接而成，钢梁顶面用作检修通道。钢梁分为主动钢梁和被动钢梁，主动钢梁上布置有卷链机构，如图3所示。

卷链机构用来控制锚链的收放,主要由电动机、回转减速机、主动链轮、导向链轮和盛链箱组成，如图4示。锚链一端固定在水底的锚块上，另一端绕过导向链轮和驱动链轮，放置在盛链箱内。

图4 卷链机构Fig.4 Structure of the chain mechanism

2 工作原理

自适应防护系统具有专门的控制中心。控制中心设置有人机交互界面，可以实时读取、视频监控漂浮电站所处水域的水位信号、风速信号、水流信号。在安装防护系统时，根据水位情况设置漂浮光伏电站的初始水位高度和所有卷链机构的锚链长度。防护系统运行时，如果所在水域水位上升并达到设定的差值时，卷链机构电动机启动，驱动链轮带动锚链转动，放下锚链，防护钢结构和光伏组件阵列可以随水位上浮，当锚链长度达到新的计算值时，电动机停止运行。反之，水位下降时，系统收起锚链进盛链箱，保持锚链对漂浮光伏电站的固定作用，保持漂浮电站在水平面内相对稳定，阻止在水面上的大幅度漂移。此外，根据现场情况和视频监控情况，当防护钢结构或浮箱阵列发生设计外的偏移时，也可以通过单独控制防护系统的单个卷链机构，调整各个锚链的长度以获得需要的防护系统位置。

3 主要部件的设计和受力分析

以某蓄洪发电水库1 MWp漂浮光伏电站为例，单个组件峰值功率为355 Wp，组件倾角暂为12°，组件尺寸为1 956 mm×992 mm×40 mm，18个组件为一串，16串组件分别接入16路光伏汇流箱，汇流箱接入岸上的集中逆变器。光伏电站宽约85.00 m，长约135.00 m，约占用水域面积11 000 m2，水深约60.00 m，光伏电站在寿命时间内水域最大水位变化为40.00 m，这一变化范围基本上可以适用于大部分的水库或者湖泊。

除了水库水位变化，水面漂浮光伏电站还应能够承受水流、风力和波浪的荷载[6]。适当考虑电站的实际运行情况、水面漂浮物的冲击等[7]，在光伏电站不出现解体、不影响水力发电的前提下，对防护系统的主要部件进行设计和受力分析。

3.1 防护钢结构受力分析[8-9]

防护钢结构受到的主要荷载包括水流、风和波浪荷载。

水流对防护钢结构的水平力集度

式中：Kc为水流阻力系数，取1.8；γc为水重度，取9.800 kN/m3；uc为水流流速，需要根据水库的具体运行情况进行实测，这里暂时取0.6 m/s；hc为浮箱入水深度，根据该防护钢结构的质量可以计算得到其入水深度约为0.30 m；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

风对防护钢结构的水平力集度

式中：Ka为空气阻力系数，取1.9；γa为空气重度，取0.012 kN/m3；ua为风速，取17.0 m/s；ha为钢结构露出水面高度，为0.50 m。

波浪对防护钢结构的水平力集度

式中：η为波浪压力修正系数，取0.365；2h1为波浪高，取0.50 m；h0为波浪中心线距离水面的距离，取0.15 m；2L1为波长，取8.00 m。

为了考虑极端天气水流情况，这里将3种荷载进行简单的叠加，这个运行工况可能出现在防护钢结构的迎水迎风面上。水流、风和波浪共同作用下的水平力集度

p=pc+pa+pw=4.915 (kN/m) 。

3.2 防护钢梁的有限元分析

防护系统中未设置卷链机构的钢梁最大连续长度为4节，每节钢梁长度10.00 m。以4节自由钢梁为分析对象，计算钢梁在极端天气水流情况下的强度和变形情况。

首先建立4节钢梁的实体模型并进行装配，钢梁材料为Q235B。然后对4节钢梁的两端进行铰接约束，相邻的钢梁之间设置铰接连接。最后对每节钢梁按照叠加计算的水平力集度4.915 kN/m施加荷载，进行仿真运算[10]。

在荷载作用下4节防护钢梁的变形情况如图5所示，钢梁跨中发生弯曲，最大的位移约为0.40 m。由于钢梁和光伏组件阵列之间采用了柔性连接，且4节钢梁总长约40.00 m，该位移不会对光伏组件阵列产生明显影响。

图5 防护钢梁位移图Fig.5 Protective steel beam displacement diagram

钢梁最大应力的发生位置位于两端的铰接约束位置，局部超出屈服强度是由应力集中引起的(如图6所示)。这一情况在具体的工程中可以通过合理的结构设计进行缓解。钢梁主体部分的等效应力在70 MPa左右，钢梁的强度可以满足材料的许用应力要求。

图6 防护钢梁应力图Fig.6 Stress diagram of protective steel beam

3.3 卷链机构设计

当水库水位变化较大时，卷链机构需要根据水位的变化情况在控制中心的自动控制下调整每条锚链的长度，以保证整个防护钢结构和光伏阵列漂浮在一个安全可控的范围内。卷链机构的运行工况为正常的风力、水流和波浪，所以不考虑极端情况下3个荷载的叠加作用。正常天气情况下，风力、水流和波浪的综合作用水平力集度暂按1.000 kN/m考虑，具体设计时需要根据所在水域的实际情况设计。由于水库水位变化慢，卷链机构的运行速度要求不高，暂按1.5 m/min考虑。另外，根据锚链的型号设计驱动链轮，驱动链轮分度圆直径设计为560 mm。

计算卷链机构的负载功率

P1=Fv=750(W) ，

式中：F为锚链拉力，通过计算取30 kN；v为锚链的运行速度，为1.5 m/min。

考虑传动机构的效率，选择YE2-80M2-2型电动机，额定功率1.1 kW，同步转速2 800.00 r/min。由链轮直径可以计算出回转减速机的输出转速需要1.00 r/min，需要的减速比为2 800。电机输出端设置行星减速机，选择行星减速机型号为ZB115-L2，速比为30，额定输出转矩为235 N·m。回转减速机速比高，运行稳定，具有反向自锁功能，适合用于该卷链机构的运行工况。选择回转减速机型号为SD17，速比为102，额定输出扭矩10 kN·m，保持力矩1 356 kN·m，径向静载荷970 kN。

在完成卷链机构的电动机、行星减速机和回转减速机的选型后，可以计算出卷链系统的总减速比3 060，额定输出转速0.92 r/min，卷链机构的收放速度为1.6 m/min，满足系统运行需求。

4 结束语

为了使漂浮式光伏电站克服当前应用过程中的困境，拓展应用范围，适应水位变化和水流冲击，设计了一套能够自动适应水位变化的漂浮光伏电站防护系统。通过计算和仿真，防护系统的钢结构可以在极端天气、水流情况下抵御水流、风力和波浪的冲击，对漂浮电站进行可靠防护。卷链机构可以在水位发生变化时，自动收放锚链，保持防护系统和光伏组件阵列的相对稳定。在未来的漂浮式光伏电站建设中，可以对该技术进行实际的验证并逐步推广。