一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构的制作方法

1.本发明涉及海上光伏发电技术领域，具体涉及一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构。


背景技术：

2.海洋环境相对内陆更加恶劣，海洋波浪将是内陆水域波浪的几倍甚至几十倍，浮式光伏电站将直接暴露在恶劣的海洋环境中，内陆水域的常规浮体型式已不适用，需要对适用于海上环境的漂浮式光伏浮体进行专门研发。
[0003][0004]
cn106347596a专利公布了一种环形浮管式水面光伏发电系统及安装方法，利用刚性支架支撑组件以抵抗波浪载荷导致的变形，采用多层圆管设计，浮力均匀分布；但此设计由于浮体平行于水面横向布置，极限波浪载荷较大，且外围浮体水线面小，回复力矩主要由最外侧环形浮管提供，抗倾覆性有所欠缺；cn106411233a专利中公布了一种适应风浪环境易扩展式水面漂浮光伏发电装置及安装方法，设计为一种海上光伏刚性单元，采用刚性梁支架，浮体也是平行于水面拓展布置，因此其受到的极限波浪载荷也会较大；因此，需要提出一种能够减小波浪受载、合理传导波浪弯矩、具备优良稳性、能适用于大波浪恶劣海洋环境的海上光伏浮式支撑体系。


技术实现要素：

[0005]
为解决以上问题，本发明提出了一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，具有中部大刚度浮体支点显著提高梁系结构抗弯能力、中部浮体与四周浮体不等长设计减小波浪载荷节约成本、浮体竖向放置受波浪力小、桁架梁系结构力传导合理受弯更优、浮体边缘布置稳性更优等优点。
[0006]
本发明技术方案为：一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，包括桁架梁系支撑结构、四周浮体和中间浮体；布置在四周的四个边缘梁与布置在四个角落的四个角落支撑梁构成了桁架梁系支撑结构的方形框架，所述四个四周浮体采用竖向布置的长条形结构，截面可为方形、圆形或其他任何形状，内部可根据实际情况考虑分舱或压载，分别设置在浮式光伏单元的四个角落处；所述方形框架内设置有一个纵向支撑梁和两个横向支撑梁；两个横向支撑梁分别位于纵向支撑梁的两侧，两个横向支撑梁及一个纵向支撑梁三者呈“十”字型布置，“十”字交叉点位于方形框架的中点，在“十”字交叉点的下方设置有中间浮体，中间浮体水面处的横截面面积大于四周浮体以提供更大的静水回复刚度，中间浮体的高度值小于四周浮体的高度值，但需要足够的高度以保证中间浮体在任何运动状态下都不能出水。
[0007]
进一步的是，所述的纵向支撑梁的两端分别连接正方形框架相对的两个边缘梁，纵向支撑梁与另外两个相对设置的两个边缘梁平行。
[0008]
进一步的是，所述的纵向支撑梁包括四根纵向支撑梁纵杆，分别为左侧两根纵向支撑梁纵杆、右侧两根纵向支撑梁纵杆，左侧两根纵向支撑梁纵杆上下设置、右侧两根纵向支撑梁纵杆上下设置，纵向支撑梁纵杆两两之间相互平行，左侧上方的纵向支撑梁纵杆与右侧上方的纵向支撑梁纵杆在同一水平面上，左侧下方的纵向支撑梁纵杆与右侧下方的纵向支撑梁纵杆在同一水平面上。
[0009]
进一步的是，所述的左侧两根纵向支撑梁纵杆之间由若干根纵向支撑梁平面斜杆弯折连接，每两根纵向支撑梁平面斜杆与左侧上方或左侧下方的纵向支撑梁纵杆形成三角形；右侧两根纵向支撑梁纵杆之间亦由若干根纵向支撑梁平面斜杆弯折连接，每两根纵向支撑梁平面斜杆与右侧上方或右侧下方的纵向支撑梁纵杆形成三角形。
[0010]
进一步的是，所述的左侧上方的纵向支撑梁纵杆与右侧下方的纵向支撑梁纵杆之间由若干根纵向支撑梁空间斜杆弯折连接，左侧下方的纵向支撑梁纵杆与右侧上方的纵向支撑梁纵杆之间亦由纵向支撑梁空间斜杆弯折连接。
[0011]
进一步的是，所述的横向支撑梁的一端连接纵向支撑梁，另一端连接与纵向支撑梁平行的一个边缘梁。
[0012]
进一步的是，所述的边缘梁及横向支撑梁具备和纵向支撑梁完全相同的结构。
[0013]
进一步的是，所述的角落支撑梁包括八根角落支撑梁水平杆及四根角落支撑梁竖向杆；八根角落支撑梁水平杆构成上下两个正方形框架，四根角落支撑梁竖向杆连接上下两个正方形框架。
[0014]
进一步的是，所述的中间浮体为竖向布置的长条形结构，截面可为方形或圆形。
[0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
(1)梁系结构方形框架内部仅采用一个纵向支撑梁和两个横向支撑梁，并且采用采用简约镂空对称式设计，节省材料的同时结构能满足大波浪下受力的要求；各浪向角下受力更平衡，适用于各浪向相对均衡的海洋环境。
[0017]
(2)梁系中部浮体采用与四周浮体不等长的设计，即中部浮体短于四周浮体；一方面通过减少浮体在纵向上的长度减小波浪载荷的作用长度从而减小波浪力，另一方面可以减少浮体用量从而降低成本。
[0018]
(3)浮体在水中存在六自由度上的回复刚度，类似弹簧的作用；本发明因减少了方形框架内部纵向支撑梁和横向支撑梁的数量，也会同时减小支撑结构的刚度；因支撑结构在中间点处最薄弱，本发明在桁架梁系结构中部设置中间浮体，相当于在梁系弯曲的最薄弱处、即梁系中部增加了一个弹簧支点；此外，根据水动力学理论，浮体垂荡回复刚度取决于其水线面面积；梁系中部浮体采用比四周浮体更大的水线面面积，为梁系结构在中部支点处提供更大的刚度，有效减小梁系结构的受力和变形，在简化梁系结构，降低用钢量的同时，反而显著提高了梁系结构的抗弯能力。
[0019]
(4)海洋环境中对海上浮式光伏内部威胁最大的是涌浪，而波浪对海上光伏最重要的影响方式是其在波浪中拱中垂极限状态下的波浪弯矩；根据波浪理论，波浪载荷与浮体水线面面积成正比；为了减小作用在浮体进而传导给整个结构的波浪力，本发明在浮式光伏中设计了一种竖向放置的浮体，这和传统内陆水域水上浮式光伏浮体平行于水面的水平放置方式不同，竖向放置的浮体减小了浮体水线面面积，从而具备波浪载荷受力小的优点。
[0020]
(5)为了将浮式光伏应用在波浪数倍甚至数十倍于内陆水域的海洋环境，具备能够抵御大波浪下极限弯矩的作用，本发明使用了更能抵抗弯矩的桁架梁系结构，将抗弯性更弱的梁纯弯曲受力模式变成了抗弯性更强的杆件拉压受力模式，极大程度上增强了梁系结构的抗弯能力，提高了结构安全性。
[0021]
(6)浮体设置在浮式光伏单元四个角落处，浮式光伏发生倾斜时，浮体回复力能产生的力臂最长，能最大程度提供回复力矩，为浮式单元提供最大程度的稳性。
附图说明
[0022]
图1为海上光伏整体示意图侧视图。
[0023]
图2为海上光伏整体示意图正视图。
[0024]
图3为海上光伏浮体和桁架梁系支撑结构示意图。
[0025]
图4为纵向支撑梁、横向支撑梁及边缘梁构造示意图。
[0026]
图5为角落支撑梁梁构造示意图。
[0027]
图6为优化设计对比示意图。
[0028]
图7为8.4m波高下设计优化前的结构受力情况。
[0029]
图8为8.4m波高下本发明的结构受力情况。
[0030]
附图标记：光伏组件z、桁架梁系支撑结构1、纵向支撑梁1.1、纵向支撑梁纵杆1.11、纵向支撑梁平面斜杆1.12、纵向支撑梁空间斜杆1.13、横向支撑梁1.2、边缘梁1.3、角落支撑梁1.4、角落支撑梁水平杆1.41、角落支撑梁竖向杆1.42、四周浮体2、中间浮体3。
具体实施方式
[0031]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0032]
如图1和图2所示，不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构包括光伏组件z、桁架梁系支撑结构1、四周浮体2和中间浮体3；桁架梁系支撑结构1用于安装光伏组件z。
[0033]
如图3所示，桁架梁系支撑结构1由一个纵向支撑梁1.1、两个横向支撑梁1.2、四个边缘梁1.3和四个角落支撑梁1.4构成。布置在四周的四个边缘梁1.3与布置在四个角落的四个角落支撑梁1.4构成了桁架梁系支撑结构1的方形框架。边缘梁1.3的两端分别与两个角落支撑梁1.4连接，一个角落支撑梁1.4分别与相邻两个边缘梁1.3连接；如图5所示的角落支撑梁1.4为长方体或正方体。
[0034]
桁架梁系支撑结构1方形框架内设置有交叉放置的一个纵向支撑梁1.1和两个横向支撑梁1.2，两个横向支撑梁1.2分别位于纵向支撑梁1.1的两侧，两个横向支撑梁1.2及一个纵向支撑梁1.1三者呈“十”字型布置，在“十”字交叉点的下方连接有一个中间浮体3，中间浮体3与纵向支撑梁1.1连接并且位于纵向支撑梁1.1中点的下方，“十”字交叉点位于所述方形框架的中点。
[0035]
纵向支撑梁1.1的两端分别连接方形框架相对的两个边缘梁1.3，纵向支撑梁1.1与另外两个相对设置的两个边缘梁1.3平行。
[0036]
横向支撑梁1.2的一端连接纵向支撑梁1.1，另一端连接与纵向支撑梁1.1平行的
一个边缘梁1.3。
[0037]
如图4所示，纵向支撑梁1.1包括四根纵向支撑梁纵杆1.11，分别为左侧两根纵向支撑梁纵杆1.11、右侧两根纵向支撑梁纵杆1.11，左侧两根纵向支撑梁纵杆1.11上下设置、右侧两根纵向支撑梁纵杆1.11上下设置，纵向支撑梁纵杆1.11两两之间相互平行，左侧上方的纵向支撑梁纵杆1.11与右侧上方的纵向支撑梁纵杆在同一水平面上，左侧下方的纵向支撑梁纵杆1.11与右侧下方的纵向支撑梁纵杆1.11在同一水平面上；左侧两根纵向支撑梁纵杆1.11之间由若干根纵向支撑梁平面斜杆1.12弯折连接，每两根纵向支撑梁平面斜杆1.12与左侧上方或左侧下方的纵向支撑梁纵杆1.11形成三角形；右侧两根纵向支撑梁纵杆1.11之间亦由若干根纵向支撑梁平面斜杆1.12弯折连接，每两根纵向支撑梁平面斜杆1.12与右侧上方或右侧下方的纵向支撑梁纵杆1.11形成三角形；左侧两根纵向支撑梁纵杆1.11与纵向支撑梁平面斜杆1.12形成独立的平面桁架结构，右侧两根纵向支撑梁纵杆1.11与纵向支撑梁平面斜杆1.12亦形成独立的平面桁架结构。
[0038]
左侧上方的纵向支撑梁纵杆1.11与右侧下方的纵向支撑梁纵杆1.11之间由若干根纵向支撑梁空间斜杆1.13弯折连接，左侧下方的纵向支撑梁纵杆1.11与右侧上方的纵向支撑梁纵杆1.11之间亦由纵向支撑梁空间斜杆1.13弯折连接。
[0039]
四根纵向支撑梁纵杆1.11、若干根纵向支撑梁平面斜杆1.12及若干根纵向支撑梁空间斜杆1.13一体成型，形成一个整体的空间桁架结构即纵向支撑梁1.1。
[0040]
横向支撑梁1.2、边缘梁1.3具备和纵向支撑梁1.1完全一致的结构；但横向支撑梁1.2长度比纵向支撑梁1.1的长度要短，横向支撑梁1.2长度比边缘梁1.3的长度要短。
[0041]
如图5所示，角落支撑梁1.4由八根角落支撑梁水平杆1.41构成上下两个正方形框架，再由角落支撑梁竖向杆1.42将上下两个方形框架进行连接，形成角落支撑梁1.4整体结构。
[0042]
如图1和图3所示，本发明一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构包括四个四周浮体2；四周浮体2为采用竖向布置的长条形结构，截面可为方形、圆形或其他任何形状；四周浮体2例如可以是长方体结构，长宽均为0.9m，高为4m，壁厚取5mm，内部可根据实际情况考虑分舱或压载；四个四周浮体2采用垂直于水面的竖向布置方式，通过系泊缆绳与海底连接；
[0043]
浮体设置在浮式光伏单元四个角落处，浮式光伏发生倾斜时，四个四周浮体2所受回复力能最大程度提供回复力矩，为浮式单元提供最大程度的稳性。
[0044]
中间浮体3为采用竖向布置的长条形结构，截面可为方形、圆形或其他任何形状。
[0045]
本实施例中，四个四周浮体2的高度相同；中间浮体3例如可采用与四周浮体2不等长的设计，中部浮体3例如可以短于四周浮体2。中部浮体3采用不等长设计，一方面通过减少浮体在纵向上的长度，减小波浪载荷的作用长度从而减小波浪力，另一方面可以减少浮体用量从而降低成本；但中间浮体3需要足够的长度以保证其在任何运动状态下都不能出水；中间浮体3例如可以是长方体结构，长宽均为1.5m，高为2m，壁厚取5mm，内部可根据实际情况考虑分舱或压载。
[0046]
如图6所示，本发明仅在海上光伏浮式支撑结构正方形框架内设置一个纵向支撑梁1.1和两个横向支撑梁1.2，与在方形框架内设置多个纵向支撑梁和多个横向支撑梁相比，减少了约9％钢材用量，节省了成本。
[0047]
此外由于正方形框架内的支撑梁采用对称布置，因此梁系结构在各浪向角下受力更平衡，适用于各浪向相对均衡的海洋环境。
[0048]
本发明中，正方形框架内仅有一个纵向支撑梁1.1和两个横向支撑梁1.2，虽然减少了钢材用量，节省了成本；但海上光伏浮式支撑结构的刚度也会相应降低；考虑到减少方形框架内的纵向支撑梁和横向支撑梁会使结构刚度降低，并且在浪涌的情况下，方形框架正中心所在处最易弯折，为增加方形框架正中心的刚度，因而在方形框架正中心的下方设置了中间浮体3。
[0049]
中间浮体3具有大水线面面积，能提供更大刚度。桁架梁系支撑结构1的中部是弯曲受力的最薄弱点，在此点增加了大刚度的支撑点，显著改善了桁架梁系支撑结构1的弯曲负担，具备更优的防弯效果。
[0050]
中间浮体3和四个四周浮体2各自分工明确，四个四周浮体2主要负责提供稳性，中间浮体3主要负责提供大刚度支撑。
[0051]
如图7和图8所示，桁架钢管采用7cm直径、5mm壁厚，在8.4m波高的波浪作用下，方形框架内设置多个纵向支撑梁和多个横向支撑梁的设计的最大应力为212mpa，本发明的最大应力为180mpa。因此，与在方形框架内设置多个纵向支撑梁和多个横向支撑梁相比，本发明的优化设计在用钢量减小约9％的同时、最大应力反而减小15％。
[0052]
最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵”、“横”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”“内”、“外”、“高”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，因此不能理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，包括桁架梁系支撑结构(1)、四周浮体(2)和中间浮体(3)；布置在四周的四个边缘梁(1.3)与布置在四个角落的四个角落支撑梁(1.4)构成了桁架梁系支撑结构(1)的方形框架；其特征在于：所述四个四周浮体(2)采用竖向布置的长条形结构，截面可为方形、圆形或其他任何形状，分别设置在浮式光伏单元的四个角落处；所述方形框架内设置有一个纵向支撑梁(1.1)和两个横向支撑梁(1.2)；两个横向支撑梁(1.2)分别位于纵向支撑梁(1.1)的两侧，两个横向支撑梁(1.2)及一个纵向支撑梁(1.1)三者呈“十”字型布置，“十”字交叉点位于方形框架的中点，在“十”字交叉点的下方设置有中间浮体(3)，中间浮体(3)水面处的横截面面积大于四周浮体(2)以提供更大的静水回复刚度，中间浮体(3)的高度值小于四周浮体(2)的高度值。2.如权利要求1所述的一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的纵向支撑梁(1.1)的两端分别连接正方形框架相对的两个边缘梁(1.3)，纵向支撑梁(1.1)与另外两个相对设置的两个边缘梁(1.3)平行。3.如权利要求1或2所述的一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的纵向支撑梁(1.1)包括四根纵向支撑梁纵杆(1.11)，分别为左侧两根纵向支撑梁纵杆(1.11)、右侧两根纵向支撑梁纵杆(1.11)，左侧两根纵向支撑梁纵杆(1.11)上下设置、右侧两根纵向支撑梁纵杆(1.11)上下设置，纵向支撑梁纵杆(1.11)两两之间相互平行，左侧上方的纵向支撑梁纵杆(1.11)与右侧上方的纵向支撑梁纵杆在同一水平面上，左侧下方的纵向支撑梁纵杆(1.11)与右侧下方的纵向支撑梁纵杆(1.11)在同一水平面上。4.如权利要求3所述的一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的左侧两根纵向支撑梁纵杆(1.11)之间由若干根纵向支撑梁平面斜杆(1.12)弯折连接，每两根纵向支撑梁平面斜杆(1.12)与左侧上方或左侧下方的纵向支撑梁纵杆(1.11)形成三角形；右侧两根纵向支撑梁纵杆(1.11)之间亦由若干根纵向支撑梁平面斜杆(1.12)弯折连接，每两根纵向支撑梁平面斜杆(1.12)与右侧上方或右侧下方的纵向支撑梁纵杆(1.11)形成三角形。5.如权利要求3所述的一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的左侧上方的纵向支撑梁纵杆(1.11)与右侧下方的纵向支撑梁纵杆(1.11)之间由若干根纵向支撑梁空间斜杆(1.13)弯折连接，左侧下方的纵向支撑梁纵杆(1.11)与右侧上方的纵向支撑梁纵杆(1.11)之间亦由纵向支撑梁空间斜杆(1.13)弯折连接。6.如权利要求1所述的一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的横向支撑梁(1.2)的一端连接纵向支撑梁(1.1)，另一端连接与纵向支撑梁(1.1)平行的一个边缘梁(1.3)。7.如权利要求1所述的一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的边缘梁(1.3)及横向支撑梁(1.2)具备和纵向支撑梁(1.1)完全相同的结构。8.如权利要求1所述的一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的角落支撑梁(1.4)包括八根角落支撑梁水平杆(1.41)及四根角落支撑梁竖向杆(1.42)；八根角落支撑梁水平杆(1.41)构成上下两个正方形框架，四根角落支
撑梁竖向杆(1.42)连接上下两个正方形框架。9.如权利要求1所述的浮体长度不等的桁架式海上光伏浮式支撑结构，其特征在于所述的中间浮体(3)为竖向布置的长条形结构，截面可为方形或圆形。

技术总结
本发明公开了一种不等长度差异刚度浮体支点式桁架海上光伏浮式支撑结构，布置在四周的四个边缘梁及四个角落支撑梁构成桁架梁系支撑结构的正方形框架，正方形框架内设置有交叉放置的一个纵向支撑梁和两个横向支撑梁，两个横向支撑梁及一个纵向支撑梁三者呈“十”字型布置，“十”字交叉点位于所述正方形框架的中点，在“十”字交叉点的下方连接有中间浮体，四个四周浮体分别设置在浮式光伏单元的四个角落处，中间浮体水面处的横截面面积大于四周浮体以提供更大的静水回复刚度，但长度短于四周浮体以减小波浪力及节约成本。本发明不仅节省用钢量、降低了制造成本，并且本发明在海上光伏浮式支撑结构中部支点处设置中间浮体，为整体结构的最薄弱处提供一个大刚度的支撑点，有效减小梁系结构的受力和变形，显著提高梁系结构的抗弯能力。构的抗弯能力。构的抗弯能力。


技术研发人员：刘海波 段斐 苏毅 喻飞 张涛 刘玉亮 张鹏 段偲默 肖固城 陈昕
受保护的技术使用者：长江勘测规划设计研究有限责任公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/3/21