漂浮式光伏金属浮体架台的结构设计优化研究

党莹颖，甘乐，李宇飞，丁红，赵作飞，张清华

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.中电投蒙东能源集团有限责任公司，内蒙古 通辽 028000）

0 引言

近年来，水面漂浮式光伏以其独特的优势逐渐得到广大光伏发电投资者的认可和青睐。作为水面光伏电站的重要支撑平台，浮体架台是关系到整个光伏电站能否正常运行发电的重要环节。浮体架台必须具有良好的抗腐蚀、低密度、抗冻胀、抗风浪等特性与之匹配。目前，我国常见的漂浮式水面光伏电站多采用HDPE浮体。但是在东北等土地资源稀缺、山地条件恶劣的北方高寒区域，由于气温低、冰冻时间长、积雪厚度大等原因,浮体架台的安全可靠性要求很高，致使漂浮式水面光伏电站一直未能实施。HDPE浮体在该区域应用面临较大的考验。

金属浮体架台受北方高寒区域气候条件的影响较小，具有良好的延展性和韧性。适用于恶劣环境。缺点是成本稍高，因此如何优化设计，减少金属浮体架台的结构工程量是控制成本的关键。

1 金属浮体架台结构

浮体架台主要由浮体、底梁、立柱构成。图1为漂浮式光伏金属浮体架台的三维示意图。

图1 漂浮式光伏金属浮体架台三维示意图

根据一般漂浮式光伏金属浮体架台各构件的材料用量统计，立柱占总材料用量约8%，底梁占约30%，浮体占约60%，其他构件占约2%。

优化金属浮体架台的设计方案，应从优化浮体和底梁的两个主要构件的设计入手，选择安全可靠、经济适用的构件型式。

2 浮体

2.1 浮体截面选型

金属结构浮体为了便于金属构件加工，其横断面一般为较规则的几何形状，如：半圆形、圆形和正方形等。为了分析不同截面的形式，本研究通过对比提供同样大小浮力的不同形状浮体的材料用量，以寻找出经济性较好的浮体截面。

浮体浮力计算：

其中，V排为排除流体的容积，可表示为V排=S*L，S为截面面积，L为浮体长度。

假定在极端工况下浮体全部没入水中，当浮体长度相同时，不同截面形状的浮体，若截面积S相同，则其浮力相同，但材料的用量却不一定相同。材料用量可认为是浮体的表面积与浮体厚度的乘积，而浮体在截面面积和长度相同的情况下，表面积与截面周长成正相关。以半圆形、圆形和正方形为例，他们周长与截面面积的关系为：

半圆形周长： ；

圆形周长： ；

正方形周长：

取π=3.14，则L1：L2：L3=4.1:2.09:4

从材料用比可以看出，提供相同浮力时，正方形和半圆形截面材料用量基本相同，而圆形截面浮体材料用量最少，仅为正方形和半圆形截面材料用量的二分之一，在设计中应优先选择圆形截面。

2.2 浮体壁厚

金属浮体的壁厚计算，不但要考虑浮体会受到漂浮物的冲击或检修船只的靠泊碰撞以及各种不利运行状态时的受荷情况的影响。对于封闭体，金属浮体的制作一般采用卷制和焊接，材料的壁厚必须同时满足焊接的最小厚度要求。钢板浮体壁厚一般还要增加腐蚀裕量1～3mm。

金属材料较HDPE的密度大很多，以钢材为例，其密度约是HDPE的7.8倍。金属浮体壁厚对净浮力影响较大，浮体很大一部分浮力都被自身重力所抵消，经济性较低。以钢结构浮体为例，当圆形截面直径为300mm，长度为1000mm,不同的壁厚对净浮力的影响。详见表1。

表1 不同壁厚浮体的净浮力对比

从表1中可以看出，浮体壁厚从3mm变为6mm后，单个的浮体能够提供的净浮力减小了约18%，增加用材料用量100%。

由此可见，金属浮体应选用不锈钢等自身防腐性能较好的材料。不锈钢由于其表面一层薄而致密的富铬氧化膜，使得不锈钢具有以下优点：

（1）可在-270℃～400℃的温度下长期安全工作，无论是高温还是低温，都不会析出有害物质，材料性能相当稳定。

（2）安全无毒，无腐蚀和渗出物，无异味或混浊问题，不会对水质造成二次污染，保持水质纯净卫生，卫生安全性达到完全保证。

（3）不锈钢具有耐腐蚀、强度高、变形不易破裂和环保性能，不易锈蚀，且具有良好的延展性和韧性。适用于恶劣环境（湿、酸碱等户内外环境）下使用。

不锈钢的采用不锈钢焊接外壳并填充泡沫的形式，可充分发挥不锈钢的高强度、耐腐蚀、环保的优点，能适应北方高寒区域气候条件。

2.3 底梁设计

漂浮式浮体架台与传统地面光伏支架的区别在于：

（1）除受到风压、雪压外，还需要考虑波浪力和检修人员在浮体上的施工荷载；且由于浮体在上浮和下沉过程中会产生的回复力，架台受力状况更为复杂。在漂浮式光伏金属浮体架台的设计过程中，通常将浮体架台分成若干个模块，模块之间通过柔性连接件和锚固系统减少波浪力对浮体架台的影响。因此，一般建设在内陆水域的漂浮式光伏金属浮体架台的设计可暂不考虑波浪力对其产生的动力影响。重点关注浮体架台在自重、风荷、雪荷、人群荷载以及施工荷载下的静力分析，并充分考虑浮体上浮下沉对支座约束的影响。

（2）光伏板固定在浮体架台上，浮体架台在风浪作用下不规则的浮动，光伏板的安装角度对浮体的安全稳定性影响较大。故漂浮式水面光伏一般没有严格按照最佳倾角来布置，而是根据项目所在水域的实际条件来选择光伏组件的倾角。

为了分析底梁的受力情况，本研究建立了三种不同倾角条件下的漂浮式金属底梁模型，采用相同的外部荷载条件和各构件截面来进行计算对比。

由于各种金属材料在受力情况下产生的应力、应变特征相似，且为了更好的对比不同情况下浮体架台的受力情况，本文选用铝合金作为构件材质进行分析。

铝及铝合金其它金属材料相比，具有以下一些特点：①密度小；铝及铝合金的密度接近2.7g/m3，约为铁或铜的1/3。

②强度高铝及铝合金的强度高；经过一定程度的冷加工可强化基体强度,部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。

③导电导热性好；铝的导电导热性能仅次于银、铜和金。

④耐蚀性好铝的表面易自然生产一层致密牢固的AL2O3保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。

⑤易加工添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。

2.3.1 荷载计算

（1）光伏板自重。组件板多晶硅板材，取尺寸为990mm×1650mm×40mm。单块板重量为20kg，则光伏板计算荷载为：

（2）走道板自重。走道板为钢格栅板，考虑每平米自重为36kg，计算荷载为：

（3）风压荷载。

基本风压： ；

地面粗糙度为B，由于浮体架台高度不足5m，根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[1]，风压高度变化系数为：μz=1.0；

根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012）[2]，风荷载体型系数为：μs=1.3；

不考虑风振系数；

则风压荷载标准值为：

（4）雪压荷载。

基本雪压： 。

由于漂浮式水面光伏倾角小于25°，故积雪分布系数为μr=1.0。

则雪压荷载标准值为：

（5）施工荷载：取q=1kN。

2.3.2 底梁结构建模

底梁根据其布置方向分为南北梁和东西梁，本研究选择连续长条状的浮体，检修过道布置在浮体正上方。由于不同倾角对应的阴影面积不同，南北梁的长度及跨度随着角度增大而增大，选取15°、20°和25°作为对比倾角，浮体架台底梁布置示意图如下：

图2 浮体架台底梁示意图

铝合金构件截面一般为异性构件，为方便计算，此处取其等效截面如下：

南北梁：方钢42×30×1.65

东西梁：方钢40×40×1.65

本计算模型采取两种建模方式：第一种，假设浮体的刚度远远大于底梁的刚度，将浮体简化为铰支座计算；第二种，认为浮体的刚度不能忽略，将浮体简化为弹簧支座计算。

浮体在水中上下振荡时，水会对浮体产生垂荡回复力，浮体在水中的运动类似于在弹簧上的运动，体现为浮体的垂荡回复刚度ρgAw，其中Aw是浮体的水线面面积。本研究为了简化计算，取在静水自重情况下浮体吃水（一般为2/3吃水深度）的水线面面积，以此时的垂荡回复刚度作为结构建模时弹簧的刚度值K。

2.3.3 底梁建模计算

本研究采用STAAD.Pro V8i软件进行建模计算，通过该软件的有限元分析功能计算底梁的受力和变形。根据计算初步判断：东西梁受力均小于1N/mm2，相对变形接近0，受力和变形都较小。因此，重点对南北梁的压应力、拉应力及变形进行计算对比[3]。

（1）浮体简化为铰支座时的计算结果：

a.水面光伏15°、20°、25°三种状态下最大应力发生在边支座处；最大相对变形发生在跨中。

b.从表2和表3中可以看出：随着角度的增加应力及相对变形相应加大，其中相对变形增加幅度较大。

表2 铰支座风荷载组合计算结果

表3 铰支座施工荷载组合计算结果

（2）浮体简化为弹簧支座。

a.水面光伏15°、20°、25°三种状态下最大应力发生在边支座处；风荷载组合最大相对变形发发生在跨中，施工荷载组合相对变形发发生在边跨悬臂端。

b.从表2和表3中可以看出：风荷载组合计算，随着角度的增加压，应力和相对变形相应加大，其中，相对变形增加幅度较大，压应力和拉应力在角度由20°变为25°时，发生突变；施工荷载组合计算，随着角度的增加相对变形相应加大，应力和在角度由15°变为20°时增加幅度较小，由20°变为25°时，应力减少。

表4 弹簧支座风荷载组合计算结果

表5 弹簧支座施工荷载组合计算结果

2.3.4 计算成果分析

（1）将浮体简化为铰支座后，因为施工荷载加载在浮体正上方，施工荷载对浮体架台几乎无影响。由风荷载控制的效应设计值最大。

（2）将浮体简化为弹簧支座时，随着倾角变大，南北跨距变长，由风荷载控制的效应设计值逐步超过由施工荷载控制效应设计值。

（3）将浮体简化为弹簧支座时，随着倾角变大，南北跨距变长，由施工荷载控制效应设计值得到的应力逐渐变小，相对变形逐渐变大。

（4）两种简化建模方式，由风荷载控制的效应设计值得到的应力和相对变形都会随着倾角的变大而变大。

（5）两种简化建模方式，由风荷载控制的效应设计值得到变形结果相近。简化为弹簧支座的计算结果会略小于简化为固定支座的计算结果。

2.3.5 设计要点总结

（1）在设计漂浮式底梁的南北梁和东西梁时，可忽略风荷载产生的水平力。东西梁只作为连接构件，受力和变形都较小，可选择较小截面的构件。

（2）倾角大于20度时，浮体架台的受力和变形增大幅度较大，设计时需要选择截面惯性矩较大而自重较小的截面。

（3）不同截面浮体计算的差异性。

a.正方形截面浮体浮体在不同吃水深度时的水面线面积相同，简化为弹簧支座的模型计算结果较为准确。

b.圆形、半圆形等截面的浮体来说，由于浮体在不同吃水深度时水面线面积不同，垂荡回复刚度也随之改变。半圆形截面会在吃水增大时增大垂荡回复刚度，截面的浮体所简化成的弹簧刚度会随着荷载的增大而增大；圆形截面则相反，垂荡回复刚度会随着吃水增大而减小，模型中的弹簧刚度也随之减小。因此，采用半圆形截面浮体的浮体架台底梁，受力情况会介于两种简化模型得到的结果之间；采用圆形截面的浮体的浮体架台底梁的受力情况计算建议采用极端情况下最大吃水时的垂荡回复刚度作为模型弹簧的刚度。

3 结语

漂浮式光伏金属浮体架台因工程造价加高，目前在工程中运用的案例极少。本文以金属浮体架台能较好的适应北方高寒区域气候条件为契机，通过漂浮式光伏金属架台组件的分析和研究，在保证结构安全可靠的前提下，以优化浮体截面入手，减少材料的用量；根据不同金属材料的特点，提出以不锈钢+铝合金材料的优化方案；针对不同的荷载组合工况分析，总结出应处理方法。

漂浮式光伏金属浮体架台的优化设计可有效的降低工程成本，为其工程应用了一个新的思路。