一种海上光伏阵列智能防护装置

1.本发明涉及属于海上光伏电站技术领域，尤其涉及到一种海上光伏阵列智能防护装置。


背景技术：

2.近年来，随着国家对于新能源战略的重要布局，光伏发电已经发展越来越迅速，但光伏发电目前已经遭遇到自身瓶颈。随着传统光伏用地的逐渐减少，和耕地数目红线预警，传统光伏的适用范围也越来越窄。而海上光伏很好的解决了传统光伏发电占据用地较多的弊端，海洋面积辽阔，光伏适用范围广阔，天空无遮挡物，太阳能利用效率高，海上光伏发电效率比陆地光伏发电效率高30％，是未来光伏行业发展一大重要领域。
3.但是相对于传统光伏，海上光伏也具有自身的局限性。譬如海上光伏将会面临更加恶劣的风浪荷载，海洋环境盐浓度高，随着随机方向的风浪循环载荷，光伏组件发生疲劳，传统连接件防腐涂层破裂，腐蚀严重，极大地影响了海上光伏的服役寿命，减少了项目收益。同时，由于海上污染严重，海上漂浮垃圾较多，冬季海上存在浮冰，当漂浮垃圾和浮冰随着波浪撞击海上光伏阵列时，会对光伏阵列造成一系列破坏，且工作人员无法及时掌握光伏阵列的健康状况，也会影响海上光伏项目的收益。
4.针对海上光伏的环境荷载，漂浮物、浮冰撞击问题，以及海上光伏阵列健康状况监测等难题，本装置发明了一种多自由度阻尼连接装置，海上光伏健康传感器和挡板，能够较好的解决环境荷载给光伏漂浮板连接件之间的疲劳效应，波浪和漂浮物对光伏阵列的冲击荷载以及实现光伏阵列的结构安全健康预警。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对海上光伏连接处破坏，破浪、漂浮物冲击和光伏阵列结构健康预警等问题，而提出的一种海上光伏阵列智能防护装置，能够为较好的解决环境荷载给光伏漂浮板连接件之间的疲劳效应，波浪和漂浮物对光伏阵列的冲击荷载以及实现光伏阵列的结构安全健康预警，在一定程度上延长了海上光伏项目的服役寿命，提高了项目收益。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种海上光伏阵列智能防护装置，包括锚定装置、边缘浮式光伏组件和中间浮式光伏组件；边缘浮式光伏组件和中间浮式光伏组件连接形成了海上光伏阵列，相邻中间浮式光伏组件相互连接且处于海上光伏阵列的中部位置；边缘浮式光伏组件处于海上光伏阵列的四周边缘位置，相邻边缘浮式光伏组件相互连接形成闭合包围中间浮式光伏的外廓；海上光伏阵列通过锚定装置固定在海面上。
8.作为本发明的进一步优选，锚定装置包括连接索和固定锚，连接索的一端连接边缘浮式光伏组件或中间浮式光伏组件，连接索的另一端连接固定锚。
9.作为本发明的进一步优选，所述边缘浮式光伏组件包括光伏箱、边缘挡板、海上光伏健康传感器和多自由度阻尼连接件；边缘挡板设置于海上光伏阵列的四周，光伏箱的下
部为hdpe标准浮箱，上部安装光伏板进行发电；处于边缘位置的光伏箱通过海上光伏健康传感器与边缘挡板相连接，相邻的光伏箱彼此之间通过多自由度阻尼连接件相互连接形成闭合包围中间浮式光伏的外廓。
10.作为本发明的进一步优选，所述边缘挡板包括边角挡板和中部挡板；边角挡板设置于四个边角处，相邻两个边角挡板之间通过中部挡板连接；边角挡板和中部挡板的挡板外壳均设有凸起部，表面凹凸不平，且整体截面为弧形。
11.作为本发明的进一步优选，所述海上光伏健康传感器包括拉杆、拉杆支座、弹簧和压力传感器；拉杆一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且拉杆的圆弧端上设有弹簧凹槽；拉杆支座一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且拉杆支座的圆弧端为空心，还设有槽口；拉杆和拉杆支座相对设置，拉杆的圆弧端置于拉杆支座圆弧端的空心中，且拉杆的圆弧端直径大于拉杆支座槽口宽度，弹簧一端设置于拉杆圆弧端弧面上的弹簧凹槽中，且弹簧设置于拉杆圆弧端的0
°
，60
°
，120
°
，-60
°
，-120
°
弧面上；0
°
弹簧的另一端固接于压力传感器上，其它弹簧的另一端固接于拉杆支座的圆弧端内壁上。
12.作为本发明的进一步优选，拉杆支座上还设有空心腔，海上光伏健康传感器还包括设置于拉杆支座的空心腔内的天线，电池，lora无线通信接口，mcu和数据存储器；压力传感器测量弹簧压力，测量的压力数据经过mcu处理，传输至数据存储器中存储；当mcu监测到压力传感器呈现异常时，将报警信号传输于lora无线通信接口和天线，实现报警功能。
13.作为本发明的进一步优选，所述多自由度阻尼连接件包括连接杆、弹簧和连接杆支座；连接件一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且连接件的圆弧端上设有弹簧凹槽；连接杆支座一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且连接杆支座的圆弧端为空心，还设有槽口；连接杆和连接杆支座相对设置，连接杆的圆弧端置于连接杆支座圆弧端的空心中，且连接杆的圆弧端直径大于连接支座槽口宽度，弹簧一端设置于连接杆圆弧端弧面上的弹簧凹槽中，且弹簧设置于连接杆圆弧端的0
°
，60
°
，120
°
，-60
°
，-120
°
弧面上；弹簧的另一端固接于连接杆支座的圆弧端内壁上。
14.作为本发明的进一步优选，多自由度阻尼连接件受力公式如公式所示：
15.f＝kδ
0o
+k(δ-120o
+δ-60o
+δ
60o
+δ
120o
)/2
16.其中f为冲击荷载，k为弹簧劲度系数，δ
io
为处于io位置的弹簧变形量。
17.作为本发明的进一步优选，所述中间浮式光伏组件包括光伏箱和多自由度阻尼连接件；相邻的光伏箱通过多自由度阻尼连接件相互连接且处于海上光伏阵列中部位置，并通过多自由度阻尼连接件与边缘浮式光伏组件连接，形成海上光伏阵列。
18.作为本发明的进一步优选，固定锚为铸钢材质锻造而成。
19.本发明具有如下有益效果：
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出的一种海上光伏阵列智能防护装置，通过多自由度阻尼连接件，突破了海上光伏传统单自由度连接件的局限性，解决了随着随机风浪循环荷载，光伏组件发生疲劳，传统连接件防腐涂层破裂，腐蚀严重的问题，同时采用多自由度阻尼系统，降低了由于破浪和漂浮物产生的随机冲击荷载对于海上光伏阵列的影响，保证了整体结构稳定性，延长了海上光伏阵列组件的使用寿命；本发明提出的一种海上光伏健康传感器能够通过测量挡板承受的冲击荷载，并做到对冲击荷载的边缘计算分析，实现光伏阵列结构健康预警功能；本发明提出的挡板表面凹凸不平且挡板整体采用
抛物线弧型，当破浪冲击时形成大量湍流，破碎波浪，降低了破浪的冲击荷载。
附图说明
21.图1是本发明的整体结构示意图；
22.图2是本发明的锚定装置示意图；
23.图3是本发明的边缘浮式光伏组件的俯视图；
24.图4是本发明的边缘浮式光伏组件的结构示意图；
25.图5是海上光伏传感器的内部结构示意图；
26.图6是多自由度阻尼连接件内部结构示意图；
27.图7是中间浮式光伏组件结构示意图。
28.其中有：1.锚定装置；2.边缘浮式光伏组件；3.中间浮式光伏组件；11.连接索；12.固定锚；21.光伏箱；22.边角挡板；23.中部挡板；24.海上光伏健康传感器；25.多自由度阻尼连接件；241.拉杆；242.拉杆支座；243.弹簧；244.压力传感器；245.天线；246.电池；247.lora无线通信接口；248.mcu；249.数据存储器；251.连接杆；252.连接杆支座。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
31.结合图1～7，本发明的一种海上光伏阵列智能防护装置，包括锚定装置1，边缘浮式光伏组件2和中间浮式光伏组件3；边缘浮式光伏组件2和中间浮式光伏组件3连接形成了海上光伏阵列，中间浮式光伏组件3相互连接处于海上光伏阵列中部位置；边缘浮式光伏组件2处于海上光伏阵列边缘最外侧位置，相互连接形成闭合包围中间浮式光伏3的外廓；海上光伏阵列通过锚定装置1固定在海面上。
32.锚定装置1包括连接索11和固定锚12，连接索11一端连接和海上光伏阵列中的边缘浮式光伏组件2或中间浮式光伏组件3，另一端连接固定锚12；固定锚12采取铸钢材质锻造而成，自重极大，具有固定海上光伏阵列的作用。
33.边缘浮式光伏组件2包括光伏箱21、边角挡板22、中部挡板23，海上光伏健康传感器24和多自由度阻尼连接件25。光伏箱21下部为hdpe标准浮箱，上部安装光伏板进行发电；处于左下边角位置的光伏箱21，左侧和下侧位置安装海上光伏健康传感器24与边角挡板22相连接，右侧和上侧位置安装多自由度阻尼连接件25；处于右下边角位置的光伏箱21，右侧和下侧位置安装海上光伏健康传感器24与边角挡板22相连接，左侧和上侧位置安装多自由度阻尼连接件25；处于中下边缘位置的光伏箱21，下侧位置安装海上光伏健康传感器24与中部挡板23相连接，左侧，右侧，上侧位置安装多自由度阻尼连接件25；边缘浮式光伏组件2彼此之间通过多自由度阻尼连接件25相互连接形成闭合包围中间浮式光伏3的外廓，边缘通过海上光伏健康传感器24与挡板相连接，整体形成降低漂浮物、海冰随波浪冲击荷载的
防护层。
34.边角挡板22和中部挡板23构成降低漂浮物、海冰随波浪冲击荷载的防护层，整体形貌如图所示。挡板外壳带有突起，凹凸不平，且整体形成弧形，当破浪冲击时，会产生大量湍流，具有破碎波浪，降低波浪直接冲击力的作用。
35.海上光伏健康传感器24包括拉杆241，拉杆支座242，弹簧243，压力传感器244，天线245，电池246，lora无线通信接口247，mcu248和数据存储器249。拉杆241一端为直杆形状，另一端为圆弧型，上部存在弹簧凹槽。拉杆支座242一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且圆弧端为空心，圆弧端顶部存在槽口。拉杆241圆弧端置于拉杆支座242圆弧端的空心中，且拉杆241圆弧状端大于拉杆支座242槽口大小，使拉杆241无法从拉杆支座242上水平脱落。弹簧243一端分别在0
°
，60
°
，120
°
，-60
°
，-120
°
弧面以及上部弹簧凹槽位置固接于拉杆241的圆弧端上，0
°
弹簧243另一端固接于压力传感器244上，其它弹簧243另一端固接于拉杆支座242圆弧端内壁上。
36.压力传感器244，天线245，电池246，lora无线通信接口247，mcu248和数据存储器249分别固接于拉杆支座242空心腔内。电池246给整个装置稳定供能，压力传感器244测量弹簧243压力，测量的压力数据经过mcu248处理，传输至数据存储器249中存储，研究人员可根据其中数据进行后续研究。挡板遭受超过安全范围的浮冰或者巨浪撞击时，会承受极大的冲击荷载，造成挡板破坏，此时弹簧对于压力传感器的压力数据会呈现短时间内达到极高的波峰，之后压力数据一直处于较低水平且周期幅度降低或消失的特征。当mcu248监测到压力传感器呈现该特征情况时，说明该出挡板出现破坏，光伏阵列结构健康情况受损，将报警信号传输于lora无线通信接口247和天线245，向工作人员传输报警信号，实现海上光伏阵列结构健康预警功能。
37.多自由度阻尼连接件25由连接杆251，弹簧243和连接杆支座252组成。连接杆251一端为直杆形状，另一端为圆弧型，弧形端上存在弹簧凹槽。连接杆支座252一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且圆弧端为空心，圆弧端顶部存在槽口。连接杆251的圆弧端置于连接杆支座252圆弧端空心中，且连接杆251圆弧端大于连接杆支座252槽口大小，使连接杆251无法从连接杆支座252上水平脱落。弹簧243一端分别在0
°
，60
°
，120
°
，-60
°
，-120
°
弧面以及上部弹簧凹槽位置固接于拉杆圆弧端上，弹簧243另一端固接于连接杆支座252圆弧端内壁上。与传统单自由度连接件相比，多自由度阻尼连接件25采用三自由度阻尼系统，减少了连接件之前横向和切向的荷载作用，延长了连接件的使用寿命。
38.连接件切向和横向荷载受力状态如公式(1)所示，传统连接件当出现冲击冲量i时，由于无阻尼系统，受力时间t极短，受力f较大，在波浪的循环荷载作用下，连接件切向容易发生疲劳破坏。多自由度阻尼连接件25纵向安装弹簧243，当出现冲击冲量时，受力时间t较长，受力f较小，达到消能减震的作用。
39.i＝ft (1)
40.传统连接件纵向受力公式如公式(2)所示，多自由度阻尼连接件25受力公式如公式(3)所示。由公式可知传统连接件纵向出现冲击荷载时，弹簧变形量远大于多自由度阻尼连接件25变形量。多自由度阻尼连接件25能够更高效的消能减震，同时减小连接件的变形量，从而实现当光伏阵列遭受冲击荷载时，层层消能，维持光伏阵列整体结构不发生大变形，保证结构稳定性的功能。
41.f＝f
0o
＝kδ
0o (2)
42.f＝kδ
0o
+k(δ-120o
+δ-60o
+δ
60o
+δ
120o
)/2 (3)
43.其中f为冲击荷载，k为弹簧劲度系数，δ
io
为处于io位置的弹簧变形量。
44.中间浮式光伏组件3由光伏箱21和多自由度阻尼连接件25构成。光伏箱21上、下、左、右侧分别安装多自由度阻尼连接件2，中间浮式光伏组件3相互连接处于海上光伏阵列中部位置，并与边缘浮式光伏组件2连接，形成海上光伏阵列。
45.本发明通过多自由度阻尼连接件25，突破了海上光伏传统单自由度连接件的局限性，解决了随着随机风浪循环荷载，光伏组件发生疲劳，传统连接件防腐涂层破裂，腐蚀严重的问题，同时采用多自由度阻尼系统，降低了由于破浪和漂浮物产生的随机冲击荷载对于海上光伏阵列的影响，保证了整体结构稳定性，延长了海上光伏阵列组件的使用寿命；本发明提出的一种海上光伏健康传感器能够通过测量挡板承受的冲击荷载，并做到对冲击荷载的边缘计算分析，实现光伏阵列结构健康预警功能；本发明提出的挡板表面凹凸不平且挡板整体采用抛物线弧型，当破浪冲击时形成大量湍流，破碎波浪，降低了破浪的冲击荷载。
46.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：包括锚定装置(1)、边缘浮式光伏组件(2)和中间浮式光伏组件(3)；边缘浮式光伏组件(2)和中间浮式光伏组件(3)连接形成了海上光伏阵列，相邻中间浮式光伏组件(3)相互连接且处于海上光伏阵列的中部位置；边缘浮式光伏组件(2)处于海上光伏阵列的四周边缘位置，相邻边缘浮式光伏组件(2)相互连接形成闭合包围中间浮式光伏(3)的外廓；海上光伏阵列通过锚定装置(1)固定在海面上。2.根据权利要求1所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：锚定装置(1)包括连接索(11)和固定锚(12)，连接索(11)的一端连接边缘浮式光伏组件(2)或中间浮式光伏组件(3)，连接索(11)的另一端连接固定锚(12)。3.根据权利要求1所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：所述边缘浮式光伏组件(2)包括光伏箱(21)、边缘挡板、海上光伏健康传感器(24)和多自由度阻尼连接件(25)；边缘挡板设置于海上光伏阵列的四周，光伏箱(21)的下部为hdpe标准浮箱，上部安装光伏板进行发电；处于边缘位置的光伏箱(21)通过海上光伏健康传感器(24)与边缘挡板相连接，相邻的光伏箱(21)彼此之间通过多自由度阻尼连接件(25)相互连接形成闭合包围中间浮式光伏(3)的外廓。4.根据权利要求3所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：所述边缘挡板包括边角挡板(22)和中部挡板(23)；边角挡板(22)设置于四个边角处，相邻两个边角挡板(22)之间通过中部挡板(23)连接；边角挡板(22)和中部挡板(23)的挡板外壳均设有凸起部，表面凹凸不平，且整体截面为弧形。5.根据权利要求3所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：所述海上光伏健康传感器(24)包括拉杆(241)、拉杆支座(242)、弹簧(243)和压力传感器(244)；拉杆(241)一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且拉杆(21)的圆弧端上设有弹簧凹槽；拉杆支座(242)一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且拉杆支座(242)的圆弧端为空心，还设有槽口；拉杆(241)和拉杆支座(242)相对设置，拉杆(241)的圆弧端置于拉杆支座(242)圆弧端的空心中，且拉杆(241)的圆弧端直径大于拉杆支座(242)槽口宽度，弹簧(243)一端设置于拉杆(241)圆弧端弧面上的弹簧凹槽中，且弹簧(243)设置于拉杆(241)圆弧端的0
°
，60
°
，120
°
，-60
°
，-120
°
弧面上；0
°
弹簧(243)的另一端固接于压力传感器(244)上，其它弹簧(243)的另一端固接于拉杆支座(242)的圆弧端内壁上。6.根据权利要求5所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：拉杆支座(242)上还设有空心腔，海上光伏健康传感器(24)还包括设置于拉杆支座(242)的空心腔内的天线(245)，电池(246)，lora无线通信接口(247)，mcu(248)和数据存储器(249)；压力传感器(244)测量弹簧(243)压力，测量的压力数据经过mcu(248)处理，传输至数据存储器(249)中存储；当mcu(248)监测到压力传感器(244)呈现异常时，将报警信号传输于lora无线通信接口(247)和天线(245)，实现报警功能。7.根据权利要求1所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：所述多自由度阻尼连接件(25)包括连接杆(251)、弹簧(243)和连接杆支座(252)；连接件(251)一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且连接件(251)的圆弧端上设有弹簧凹槽；
连接杆支座(252)一端为直杆形状，另一端为圆弧状，且连接杆支座(252)的圆弧端为空心，还设有槽口；连接杆(251)和连接杆支座(252)相对设置，连接杆(251)的圆弧端置于连接杆支座(252)圆弧端的空心中，且连接杆(251)的圆弧端直径大于连接支座(252)槽口宽度，弹簧(243)一端设置于连接杆(251)圆弧端弧面上的弹簧凹槽中，且弹簧(243)设置于连接杆(251)圆弧端的0
°
，60
°
，120
°
，-60
°
，-120
°
弧面上；弹簧(243)的另一端固接于连接杆支座(252)的圆弧端内壁上。8.根据权利要求7所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：多自由度阻尼连接件(25)受力公式如公式所示：f＝kδ
0o
+k(δ-120o
+δ-60o
+δ
60o
+δ
120o
)/2其中f为冲击荷载，k为弹簧劲度系数，δ
io
为处于i
o
位置的弹簧变形量。9.根据权利要求1所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：所述中间浮式光伏组件(3)包括光伏箱(21)和多自由度阻尼连接件(25)；相邻的光伏箱(21)通过多自由度阻尼连接件(25)相互连接且处于海上光伏阵列中部位置，并通过多自由度阻尼连接件(25)与边缘浮式光伏组件(2)连接，形成海上光伏阵列。10.根据权利要求2所述的一种海上光伏阵列智能防护装置，其特征在于：固定锚(12)为铸钢材质锻造而成。

技术总结
本发明涉及光伏工程中的一种海上光伏阵列智能防护装置。该装置由锚定装置，边缘浮式光伏组件和中间浮式光伏组件组成。锚定装置通过连接索分别连接浮式光伏组件和固定锚；边缘浮式光伏组件通过海上光伏健康传感器与挡板连接，通过检测压力数据特征，实现光伏结构健康检测，且表面不规则凹凸的弧形挡板能够有效形成湍流破碎海浪；边缘浮式光伏组件，中间浮式光伏组件相互之间通过多自由度阻尼连接件连接，消能减震效果好，延长连接件服役寿命，保证了光伏阵列整体结构稳定性。本发明对海上光伏阵列能够起到有效的保护作用，且实现智能预警功能，延长了海上光伏阵列的服役期，有助于提高项目收益。提高项目收益。提高项目收益。


技术研发人员：王莹 潮隆笑 郭建 严正 孙友庆
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/3/28