由拉索牽引的剛性邊框體系漂浮光伏電站系統

梁 定 益

(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 技術背景

近年來用于建設地面光伏發電站的土地資源日趨緊張，土地資源管控越來越嚴。我國建有87 873座各型水庫，較多僅為灌溉蓄水養殖使用，江河湖海塘壩水域更廣闊，水域面積占內陸4%左右面積，超過17萬km2，并廣泛分布在用電消納地區。如何有效利用這些水域來建設水上漂浮光伏電站，成為光伏界業內迫切解決的問題[1,2]。

這兩年，國內開始逐步興建水上漂浮光伏電站，但規模均較小，且均設置在靜水區域，其水位無變化或變化不大，另外其漂浮體及其之間的聯結體形成的整體，并無邊框結構支撐，在大風浪下抗力性能差，且不能適應較大的水位變化。本文就如何提供抗風浪能力高，且適應較大水位變化的水上漂浮光伏電站系統展開了分析[3,6]。

2 系統技術方案

將若干光伏組件串分別鋪設在若干獨立的漂浮體上，漂浮體間通過連接體相互連接，并最終與剛性水平邊框體系連接，形成整體結構體系發電方陣；所述剛性水平邊框體系由牽引拉索實時牽引，牽引拉索通過水位信號接收及控制器實時控制拉索驅動裝置，從而達到實時牽引所述剛性水平邊框體系的目的。而剛性水平邊框體系由水平鋼結構桁架或水平鋼結構封閉框架構成，并由漂浮體支托并漂浮于水面上，圍成整體穩定性好的封閉結構體系，從而達到了抵抗風浪沖擊的目的[4,5,7]。

剛性水平邊框由上弦桿、下弦桿、斜腹桿、豎腹桿組成，桿件均采用鍍鋅方鋼管。當邊框過長時及邊框角部轉接頭處，需要現場拼裝，拼裝處鋼管設置端頭板及連接螺栓孔，并通過不銹鋼螺栓連接。

剛性水平邊框上方預設緊固連接件，用于固定水位信號接收及控制器和拉索驅動裝置；拉索驅動裝置設置位置為剛性水平邊框的四個角部和四邊中部若干位置，同時一個剛性水平邊框上僅設置一臺水位信號接收及控制器，其通過通信數據線纜傳送實時水位數據信號至拉索驅動裝置，拉索驅動裝置接收到信號后啟動驅動，驅動控制卷揚機來牽引拉索。

光伏組件板采用行列式，組件鋪設在浮箱上，浮箱與浮箱之間通過銷釘連接在一起。剛性水平邊框鋪設在最外圍一圈的浮箱上，且剛性水平邊框的四個轉角拼接在一起，組成一個剛性體系。剛性水平邊框通過角鋼與浮箱上預留的螺栓連接。

牽引拉索一端與剛性水平邊框連接，另一端通過連接鎖具支承于主拉索上，主拉索對牽引拉索起到固定作用。牽引拉索與水平面的夾角控制在40°～60°之間。主拉索張緊后用連接鎖具連接于固定在岸邊的塔架上。

塔架設立在岸邊，塔架由塔架基礎及上部鋼結構組成，塔架基礎根據現場地勘情況采用天然獨立基礎或者樁基，上部鋼結構采用三柱或四柱鋼管，通過法蘭連接。

3 系統實施技術要點

圖1為拉索實時牽引的剛性水平邊框體系的工作原理圖。該系統的工作原理為：水位監測傳感器感應水位變化，并將信號傳輸給水位信號接收控制器，并反饋給拉索驅動裝置，拉索驅動裝置通過驅動卷揚機來牽引牽引拉索從而使得剛性水平邊框能夠適應水位的變化。牽引拉索固定在主拉索上，主拉索張緊后固定在岸邊的塔架上。

圖2為拉索實時牽引的剛性水平邊框體系水上漂浮光伏電站系統平面圖。主要包括光伏組件板1，用于鋪設組件的浮箱2，用于檢修的浮箱3，剛性水平邊框4，用于鋪設剛性水平邊框的浮箱5，牽引拉索6，用于固定牽引拉索的主拉索7，用于固定主拉索的塔架8，水位接收控制器9，拉索驅動裝置10，卷揚機11。光伏組件板1采用行列式鋪設在浮箱2上，浮箱2與浮箱3通過銷釘連接在一起，剛性水平邊框4鋪設在浮箱5上。圖2上下兩端的浮箱5和浮箱2通過銷釘連接在一起，左右兩端的浮箱5和浮箱2、浮箱3通過鋼絞線連接在一起。通過以上的措施，剛性水平邊框與光伏陣列組成一個穩定的剛性體系。

如圖2所示，一個剛性水平邊框上僅設置一臺水位信號接收控制器9，拉索驅動裝置10設置在剛性水平邊框的四個角部和四邊中部若干位置，牽引拉索6連接剛性水平邊框的四個角部和四邊中部若干位置。剛性水平邊框4的角部轉接頭以及中部搭接，需要現場拼裝，拼裝處鋼管設置端頭板及連接螺栓孔，并通過不銹鋼螺栓連接。

圖3為剛性水平邊框的大樣圖。圖3所示意的剛性水平邊框為鋼桁架，也可以考慮使用鋼框架。主要包括：上弦桿12，下弦桿13，斜腹桿14，豎腹桿15，連接角鋼16，鍍鋅鋼板17。用于鋪設鋼桁架的浮箱5頂部預設8個不銹鋼螺栓，通過連接角鋼16與鋼桁架的上弦桿12以及下弦桿13固定在一起。每個連接角鋼16上有2個～3個不銹鋼螺栓固定。

圖4為圖3的剖面圖。上弦桿12、下弦桿13、斜腹桿14、豎腹桿15均采用鍍鋅方鋼管。在上弦桿12和下弦桿13頂部鋪設鍍鋅鋼板17，主要用于檢修通道，同時可以擺放拉索驅動裝置和卷揚機以及其他設備。

圖5為塔架示意圖。主拉索7張緊后用連接鎖具連接于固定在岸邊的塔架8上。塔架8采用三柱或四柱鋼管，塔架基礎根據現場地質情況采用天然獨立基礎或者樁基。牽引拉索6的一端固定在剛性水平邊框4上，另一端通過連接鎖具與主拉索7連接，牽引拉索6與水平面的夾角控制在40°～60°之間。

該光伏系統的匯流箱可以設置在浮體上，逆變箱變設備設置在岸邊。電纜可以通過浮體連接每個組串和匯流箱，最后通過浮體連接到岸邊的箱變逆變。

4 結語

本文介紹了如何利用剛性水平邊框與浮體的可靠連接，形成一個穩定可靠的剛性體系來抵抗風浪，從而能夠提高水面光伏發電系統的安全與可靠性。另外，本文還提供了在水位變化的情況下，如何通過控制器、拉索驅動裝置、卷揚機來控制牽引拉索使得該體系能夠適應水位的變化。上述系統方案中的兩大優勢，能夠使水面電站更廣泛的適用在水位變化較大、流動性水域中，對光伏發電選址要求降低，大大擴展了水面電站的建設范圍。