一种带有浮体下水防挤拉功能的水上光伏浮体阵列的研制

叶 筱， 蒋克勇， 徐 雯， 孙瑞松， 张前雄

(1.中国能源建设集团安徽省电力设计院， 安徽 合肥 230601;2.中国能源建设集团投资有限公司华东分公司， 安徽 合肥 230601)

1 问题提出

“潘集区某采煤沉陷区150 MW水面光伏电站项目”位于安徽省淮南市潘集区采煤沉陷区，全部采用浮体安装，是当时全球最大的水上漂浮光伏发电项目。施工过程中，将双玻组件安装在浮体上一段时间后，前后31块组件发生浮体挤拉冲撞损坏的情况，无独有偶，淮南某渔场200 MW“渔光互补”光伏发电项目也发生此情况，前后损坏21块组件。因此，研制一种具有缓冲功能，防止挤拉造成组件损坏的浮体，具有重要意义。

基于以上问题，本文将在不对浮体作较大结构变动的基础上，将改进目标对准浮体之间的连接结构。

2 现状调查

水上光伏电站[1]是利用水上浮体将光伏组件[2]漂浮在水面进行发电。特点在于不占用土地资源，水体对光伏组件有冷却效应，可以抑制组件表面温度上升，从而获得更高的发电量。此外，将太阳能电池板覆盖在水面上，还可以减少水面蒸发量，抑制藻类繁殖，保护水资源。

浮体[3]是水上漂浮光伏电站的重要组成部分，目前使用的浮体之间是通过钢构连杆连接，硬度较高，但不具有缓冲性能，当水面波动较大时，由于浮体随水流漂动[4]，浮体间相互挤拉冲撞，从而造成光伏组件的损坏，尤其是双玻组件，更容易受损。跟踪已建成的水上光伏电站及在建项目，作者记录了造成组件损坏的多种原因，其中占比最高的就是组件间互相的碰撞，因此作者根据光伏项目特性提出了若干解决方案。

3 方案设计与选择

3.1 提出方案

针对以上分析，有针对性提出了“人”型缓冲结构、“缓冲窗”结构和“限位盒”结构三种不同的电缆施工装置，具体方案见表1所示：

表1 总体方案选择表

续表

三种方案都可以实现光伏浮体防挤拉。“人”型缓冲结构方案对组件保护效果较好，但现场需要安装的配件较多；“缓冲窗”结构方案制作成本较低，安装时间及人工投入少，但缓冲效果不好，对组件的保护效果差；“限位盒”结构方案对组件保护效果好，加工成本、安装投入的时间和人工都相对合适。因此，项目最终选用“限位盒”结构作为带有下水防挤拉功能的水面光伏浮体阵列软连接的总体方案。

3.1.1 材质选择

为防止不同金属材料接触产生化学反应，连杆、限位盒、螺栓等相互接触的结构体选择一样的材质，一般常用的有碳素钢、合金钢、镀锌钢、不锈钢等，由于在水面使用，使用环境潮湿，且考虑到镀锌层容易磨掉，选择具有防腐蚀功能的不锈钢，不锈钢常用的304钢和316钢，具体参数对比如表2所示。在耐腐蚀性都满足的条件下，304钢价格低，抗拉强度高，具有较高的性价比，故选用304不锈钢。

表2 不锈钢型号方案比选表

3.1.2 螺栓的直径及长度确定

螺栓的直径应考虑浮体受到挤拉时，螺栓受到的剪力、挤压力。根据长期水面光伏工程经验总结，浮体在水面漂动时，浮体间的挤拉力一般为15～20 kN，经过比选，项目选择20 kN设计载荷进行分析论证,具体材质及参数选取如表3。

表3 材质及参数选取表

由CECS-2015，《不锈钢结构设计规程》[5]公式6.2.2-5条

(1)

代入公式，得d≥10.2 mm,取d=13 mm;

由CECS-2015，《不锈钢结构设计规范》公式6.2.2- 6条

(2)

代入公式，得t≥4.1 mm,取t=5 mm。

综上，文章确定定位孔直径13 mm，厚度5 mm，考虑到螺栓要预留螺母，螺栓长度设置为35 mm，直径与孔径预留1 mm余量，取12 mm。

3.1.3 限位窗中弹簧设计

如图1，圆柱螺旋弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d、弹簧圈中径D2(外径D和内径D1的均值)、自由长度H0等。弹簧设计中，旋绕比(或称弹簧指数)C是最重要的参数之一。C=D2/d，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表4。上一节计算出螺栓直径为12 mm，由于限位窗中螺栓与弹簧配合使用，此处设计弹簧外径13 mm，内径11 mm，中径12 mm，弹簧丝直径1 mm，弹簧旋绕比12，原长30 mm，8圈。

图1 弹簧示意图

表4 常用弹簧指数表

3.1.4 限位窗其他尺寸设计的确定

项目根据方案选择结果，确定限位窗的其他尺寸如下。

1)限位窗的长：

弹簧原长30 mm×2+螺栓直径12 mm+余量1 mm=73 mm

(3)

2)限位窗的宽：

(弹簧外径13 mm+余量2 mm)×3=45 mm

(4)

3)限位窗的厚度：由弹簧外径提资，并加1 mm余量，取14 mm；

4)滚珠设计为直径8 mm的304不锈钢滚珠，上下各开6个直径为6 mm的孔放置6个滚珠；

5)板弹簧的长轴：

限位窗长73 mm-余量1 mm=72 mm

(5)

6)板弹簧的短轴：

(6)

取12 mm。

3.1.5 限位盒尺寸设计

根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》表11.5.2螺栓或铆钉的孔距、边距和端距容许值，可得孔中心到边距距离为：

min{4d0,8t}=min(4×12 mm,8×5 mm)=40 mm

(7)

综上，确定了限位盒的最终尺寸：

长×宽×厚=153 mm×80 mm×14 mm

(8)

3.1.6 连杆设计

连杆基础尺寸由GB 50017-2017《钢结构设计标准》表11.5.2螺栓或铆钉的孔距、边距和端距容许值确定，确定尺寸：

连杆宽80 mm，由于限位盒长153 mm，考虑到浮体之间的间隔设计为200 mm。

3.2 确定最佳方案

根据各级方案选择结果，确定最佳方案，方案详解如下：

1)装置材质选用304不锈钢；

2)连杆基础尺寸选用宽度为80 mm，间隔设计为200 mm，钢孔孔径13 mm；

3)限位盒长宽厚分别为：153 mm、80 mm、14 mm；

4)连接螺栓长度为35 mm，直径为12 mm。

4 总结

水上光伏项目因其技术的难度大，对高效节能新技术的需求逐步增长，水上光伏电站带有浮体下水防挤拉功能的浮体阵列的研制，填补了此项技术在新能源行业的空白。该装置的运用，降低了水上光伏项目的施工成本，有效提高了电站的经济性。

4.1 直接经济效益

本装置的成功应用，杜绝了浮体挤拉冲撞损坏组件的情况发生，半年内为潘集区项目节约31块组件21 700元，渔场项目节约21块组件14 700元。

4.2 间接经济效益

1)由于改善了光伏组件的损坏情况，避免了更换组件造成的人工费用；

2)避免了因组件损坏，导致发电量减少的情况，增加了发电量，提高了业主单位发电收益。

4.3 技术效益

此项新装置的研制及推广过程中，项目组开展了相应的标准化工作，编写了浮体阵列安装说明书。