一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构及其安装方法与流程

1.本发明属于海上光伏发电技术领域，尤其涉及一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构及其安装方法。


背景技术：

2.近年来，光伏发电以其可再生、易获取、无污染及安全可靠等优势正逐渐成为新能源行业中的主导。陆上光伏电站建设占地面积大，用地浪费明显，相对的，漂浮式光伏可以布置于闲置水域，如湖泊及水库上方。但随着我国“双碳”战略目标的提出与新能源体系的构建，当前内陆水域漂浮式光伏不再能够提供足够的水域建设漂浮式光伏电站。因此，日趋紧张的土地资源与有限的内陆水域资源逐渐成为制约光伏规模化发展的关键因素之一。我国拥有300万平方公里海域，其中适合海上漂浮式光伏布置的海域面积约71万平方公里，理论上可安装海上光伏近7亿千瓦。开发海上漂浮式光伏，并与海上其他形式能源(如海上风电)组合，正逐渐成为我国能源结构转型的重要战略之一。
3.目前国内外对于海上漂浮式开发均处于前期摸索阶段，国际上尚无真正意义上的海上漂浮式光伏商业项目，且针对的目标海域主要为中低维度地区。然而，对于处于寒冷冰区海上的漂浮式光伏开发来说，不仅要考虑海上的风浪荷载，还要面临海冰荷载威胁，冬季平整冰在海流和风荷载影响下会发生飘移，产生较大的水平挤压冰力，浮体结构在水线处尺度越大，其受到的总体冰力就越大，也容易产生较明显的海冰堆积现象，对漂浮式光伏组件的安全运行构成巨大威胁。传统的hdpe浮体材料其强度无法抵抗海冰破碎产生的局部高压，不利于结构安全。
4.为了能够充分利用寒冷冰区的海上资源，亟须研究和发展一种能够在低温、风浪荷载、冰荷载等条件作用下保证光伏性能与安全的漂浮式光伏浮体结构，为我国冰区海上漂浮式光伏的实施和发展提供可行的方案。


技术实现要素：

5.本发明目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构及其安装方法，能够在低温、风浪荷载、冰荷载等条件作用下保证光伏性能与安全。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构，其特征在于：包括至少三个浮箱，相邻浮箱之间设有连接结构以使浮箱首尾相连形成环状结构，连接结构与浮箱形成钢制框架，内部填充hdpe浮体组件提供浮力，浮箱的顶部设有破冰立柱，浮体结构设于海水中时，水线处于破冰立柱上。结构整体呈三角形或正方形，由3～4个浮箱相邻浮箱之间设有连接结构以使浮箱首尾相连形成环状结构。环状结构一般为钢制结构，有助于提高整体刚度，增强其抗波浪力疲劳载荷的能力。浮箱顶部设置破冰立柱，利于浮体结构在冰区海域的使用，同时破冰立柱也作为上部光伏组件的支撑。浮箱保留压载装填孔，可以调整水压载，使得下
部环形浮体结构半潜于海平面以下，可避免了浮体部分宽大尺寸与海冰直接接触，避免产生较大的静冰力，降低浮体结构整体冰载荷。根据海上漂浮式平台基本原理，通过增大水线面，提高浮体稳性；增大水下浮体体积，加大浮体储备浮力；通过改进浮体材料，增强其抗波浪力疲劳载荷的能力。
8.进一步，连接结构为角钢，连接杆与浮箱组成的钢制框架形成有容纳区，容纳区内设有浮体组件，通过多根连接杆的设置，能够使连接杆之间设置浮体组件，填充浮体组件可有效提升结构整体浮力。浮体组件可以是hdpe浮体组件，亦或是其他可提供浮力的水密浮体组件。连接杆与浮箱形成的容纳区承受大部分的风浪、海冰等外部荷载，能够对内部的hdpe浮体组件形成了有效的保护，一定程度可提升hdpe浮体组件的耐久性。内部填充多个等大小吹塑而成的hdpe浮体组件或等效的浮体组件，显著提高了结构的整体浮力，大大减少了用钢量，增强了漂浮式光伏浮体的经济性。浮体组件可以填充压载，可有效降低结构重心，提高稳性。浮体组件之间可通过连接件耳板相连，使其能更好地安装于连接杆与浮箱围成框架内，提高浮式基础的整体性。
9.进一步，破冰立柱的截面为三角形。三角形截面，可有效破冰，破冰立柱的方位角度可根据实际海域浮冰来向确定，以达到最佳破冰效果；破冰立柱的具体尺寸可根据浮体需求大小而定，但破冰立柱边长不宜超过下部浮箱宽度。
10.进一步，破冰立柱与浮箱之间设有加劲板。通过加劲板能够提高破冰立柱与浮箱之间的连接强度。
11.进一步，浮箱设有耳板。耳板设置在浮箱的外侧，能够方便浮箱与锚泊系统的连接，同时也能够便于相邻浮体结构之间的连接，形成漂浮式光伏方阵。
12.进一步，浮箱的内侧设有加劲肋。浮箱内侧设置加劲肋，能够提高箱体刚度，同时由于浮箱上侧设置立柱，因此浮箱上部受力较大，布置加劲肋以增强其结构强度，使其不易发生屈曲凹陷。
13.进一步，浮体组件的外表面设有棱条。通过棱条的设置，能够增大摩擦力，可以有效降低浮体组件之间的错动风险。
14.进一步，浮箱靠外两侧立面均焊接耳板，用以连接锚泊系统或者与相邻浮体结构连接以形成漂浮式光伏方阵，提高浮体结构的稳定性。
15.进一步，相连的连接杆之间设有加劲片，提高连接杆之间的连接强度，连接杆一般采用角钢。
16.本发明还提供了一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构的安装方法，其特征在于包括如下步骤：
17.s1：对浮箱、连接结构、破冰立柱进行加工制作和焊接组装，形成环形结构；
18.s2：对hdpe浮体组件进行加工制作，布置于浮箱与连接结构形成钢质框架中；
19.s3：通过拖轮将浮体结构拖航至工程海域，采用钢制绞线或高强度尼龙绳连接各个浮体结构组成光伏阵列；
20.s4：通过耳板连接锚泊系统，完成对浮体结构的系泊定位安装。
21.本发明中的浮箱、连接结构、破冰立柱等钢结构以及hdpe浮体组件来源广泛，钢结构可在加工厂整体焊接组织，制作工艺简单成熟，可根据光伏电场容量灵活调整实际尺寸进行大规模采购与生产，便于节约成本；整个浮体结构可在陆上场地内全部组装完成，有效
保证生产效率，通过拖轮直接拖航至工程海域后连接锚泊系统完成安装，安装步骤简单。
22.本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
23.1、本结构具有较大的水下浮体，吃水更深，排水量更大，稳心高，浮体的稳性更好，具有更好的抗风浪性能。形成传统钢结构浮体与hdpe浮体在形式与功能上结合，在满足排水量和抗风浪能力的同时，大大缩减钢结构用量，降低成本，提高经济性。
24.2、下部环状结构的中空部分可当作阻尼池，对外部环境波浪载荷具有削减吸收波浪能量的作用，因此提高了浮体的抗浪能力。
25.3、下部环状结构潜没于海平面以下，避免了浮体部分宽大尺寸与海冰直接接触，避免产生较大的静冰力，降低浮体结构整体冰载荷，为漂浮式钢结构提供了抵抗冰的能力。
26.4、上部破冰立柱用于连接下部浮体框架和上部光伏组件，立柱截面呈三角形且尺度较小，有利于破冰，且冰力较小，同时浮冰在立柱前也不易发生堆积。同时，立柱分布在浮体四角，间距较大，有利于破碎的平整冰顺利漂流通过，可有效避免海冰在浮体结构上方堆积堵塞，可显著提升结构的抗冰性能。
27.5、本发明中得浮体结构主要由钢制立柱、钢板、角钢以及hdpe浮体组成，这类材料来源广泛，制作工艺简单成熟，可根据实际尺寸进行大规模采购与生产，便于节约成本。
28.6、本发明通过钢制框架和钢制浮箱大大提高抗风浪能力和结构强度，利用hdpe浮体解决上部光伏系统自重和冬季落雪对于浮力的迫切需求。
附图说明
29.下面结合附图对本发明作进一步说明：
30.图1为本发明一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构的结构示意图；
31.图2为本发明中浮箱设置耳板的结构示意图；
32.图3为本发明中浮体组件的结构示意图；
33.图4为本发明中破冰立柱与浮箱上板的结构示意图；
34.图5为本发明中浮箱与加劲肋连接的结构示意图。
35.图中，1-浮箱；2-连接杆；3-破冰立柱；4-加劲肋；5-耳板；6-浮体组件；7-棱条；8-耳板；9-加劲板；10-加劲片。
具体实施方式
36.如图1至图5所示，为本发明一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构，包括至少三个浮箱1，相邻浮箱1之间设有连接结构以使浮箱1首尾相连形成环状结构，连接结构与浮箱1形成钢制框架，内部填充hdpe浮体组件6提供浮力，浮箱1的顶部设有破冰立柱3，浮体结构设于海水中时，水线处于破冰立柱3上。一般采用四个浮箱1形成“回”字形浮体结构。通过连接结构连接浮箱1形成整体结构，能够提高整体刚度，浮箱1一般为钢制结构，增强其抗波浪力疲劳载荷的能力。顶部设置破冰立柱3，能够实现破冰效果，利于浮体结构在冰区海域的使用，破冰立柱3也可作为上部光伏组件的支撑。破冰立柱3可采用无缝钢管或钢板整体卷制。环状结构能够提高整体稳定性，提高抗浪能力。浮箱1保留压载装填孔，可以调整水压载。整体结构均可在陆上加工制造厂整体预制完成，无需海上现场施工。
37.浮箱1的内侧设有加劲肋4。浮箱1内侧设置加劲肋4，能够提高箱体刚度，同时由于
浮箱1上侧设置立柱，因此浮箱1上部受力较大，布置加劲肋4以增强其结构强度，使其不易发生屈曲凹陷。
38.浮箱1设有耳板5。耳板5设置在浮箱1的外侧，能够方便浮箱1与锚泊系统的连接，同时也能够便于相邻浮体结构之间的连接，形成漂浮式光伏方阵。
39.连接结构为连接杆2，连接杆2一般采用角钢，多个连接杆2与浮箱1之间形成有容纳区，容纳区内设有浮体组件6，通过多根连接杆2的设置，能够使连接杆2之间设置浮体组件6，填充浮体组件6可有效提升结构整体浮力。浮体组件6可以是hdpe浮体组件6，亦或是其他可提供浮力的水密浮体组件6。连接杆2形成的容纳区能够对内部的hdpe浮体组件6形成了有效的保护，一定程度可提升hdpe浮体组件6的耐久性。内部填充多个等大小吹塑而成的hdpe浮体组件6或等效的浮体组件6，显著提高了结构的整体浮力，大大减少了用钢量，增强了漂浮式光伏浮体的经济性。浮体组件6可以填充压载，可有效降低结构重心，提高稳性。浮体组件6之间可通过连接件耳板5相连，使其能更好地安装于连接杆2与浮箱1围成框架内，提高浮式基础的整体性。
40.浮体组件6的外表面设有棱条7。通过棱条7的设置，能够增大摩擦力，可以有效降低浮体组件6之间的错动风险。
41.浮体组件6设有耳板8。耳板8的设置则能够便于浮体组件6与连接杆2之间的连接固定，提高整体稳固性。
42.破冰立柱3的截面为三角形。三角形截面，可有效破冰，破冰立柱3的方位角度可根据实际海域浮冰来向确定，以达到最佳破冰效果；破冰立柱3的具体尺寸可根据浮体需求大小而定，但破冰立柱3边长不宜超过下部浮箱1宽度，浮冰在所述破冰立柱前也不易发生堆积，同时作为上部光伏组件的支撑。
43.破冰立柱3与浮箱1之间设有加劲板9。通过加劲板9能够提高破冰立柱3与浮箱1之间的连接强度。
44.相连的连接杆2之间设有加劲片10，提高连接杆2之间的连接强度，连接杆2一般采用角钢。
45.在施工过程中，可采用预制单个浮体的方式。在加工场区内预先加工单个单元浮体；多个单元采用浮船或驳船运至目标海域后，进行光伏方阵组装；组装好的光伏方阵通过侧面耳板5与系泊系统以及连接线相连接，具体实施方案如下：
46.1、根据计划光伏容量及采用光伏板尺寸，确定采用的本发明中的光伏浮体结构的数量，在加工场进行浮体结构的组装。首先采用板架结构建造四角处的浮箱1，四个浮箱1采用角钢连接，构成框架结构；在四角钢制浮箱1上方焊接连接上部破冰立柱3；采用特种焊接或高强度焊接的方式连接四角处八个开孔耳板5，作为连接孔及系泊线导缆孔；在角钢构成的框架结构内部放置前述的hdpe浮体。
47.2、通过拖轮将浮体结构拖航至工程海域，下水组装；采用钢制绞线或高强度尼龙绳连接各个浮体结构组成光伏阵列。此处需注意根据本发明中浮体结构设定为正方形，根据实际情况的需求，可相应调整边长尺度。光伏阵列的布置数量也可由实需求相应调整。
48.3、在采用浮体结构组装光伏阵列的同时，对上部光伏板的支撑结构及光伏板进行安装。光伏支架与立柱采用焊接的方式连接。
49.4、连接预先安装在目标海域的系泊缆上端，完成浮体与系泊系统的连接工作。
50.以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构，其特征在于：包括至少三个浮箱，相邻所述浮箱之间设有连接结构以使所述浮箱首尾相连形成环状结构，所述连接结构与所述浮箱形成钢制框架，内部填充hdpe浮体组件提供浮力，所述浮箱的顶部设有破冰立柱，所述浮体结构设于海水中时，水线处于所述破冰立柱上。2.根据权利要求1所述的一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构，其特征在于：所述浮箱之间采用角钢作为连接结构，所述hdpe浮体组件采用可提供浮力的水密浮体组件作为替代，为整体机构提供浮力，所述hdpe浮体组件保留压载装填孔，为安装后调整整体浮态保留空间。3.根据权利要求1所述的一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构，其特征在于：所述浮箱顶板上部直接焊接所述破冰立柱，所述破冰立柱截面为三角形，用于破冰并承受冰荷载，浮冰在所述破冰立柱前也不易发生堆积，同时作为上部光伏组件的支撑。4.根据权利要求1所述的一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构，其特征在于：所述浮箱靠外两侧立面均焊接耳板，用以连接锚泊系统或者与相邻浮体结构连接以形成漂浮式光伏方阵。5.基于权利要求1-4任意一项所述的一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构的安装方法，其特征在于包括如下步骤：s1：对浮箱、连接结构、破冰立柱进行加工制作和焊接组装，形成环形结构；s2：对hdpe浮体组件进行加工制作，布置于浮箱与连接结构形成钢质框架中；s3：通过拖轮将浮体结构拖航至工程海域，可采用钢制绞线或高强度尼龙绳连接各个浮体结构组成光伏阵列；s4：通过耳板连接锚泊系统，完成对浮体结构的系泊定位安装。

技术总结
本发明公开了一种冰区的抗浪型海上漂浮式光伏浮体结构及其安装方法，装置包括至少三个浮箱，相邻浮箱之间设有连接结构以使浮箱首尾相连形成环状结构，连接结构与浮箱形成钢制框架，内部填充HDPE浮体组件提供浮力，浮箱的顶部设有破冰立柱，浮体结构设于海水中时，水线处于破冰立柱上，能够在低温、风浪荷载、冰荷载等条件作用下保证光伏性能与安全；方法包括S1、S2、S3和S4，共四个步骤，能够实现光伏浮体结构的快捷安装。结构的快捷安装。结构的快捷安装。


技术研发人员：王滨 高山 徐健 王刚 何奔 熊根 张宝峰 吕君 王德志 沈侃敏
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.02.02
技术公布日：2023/6/28