由拉索牵引的刚性边框体系漂浮光伏电站系统

梁 定 益

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，江苏 南京 210000)

1 技术背景

近年来用于建设地面光伏发电站的土地资源日趋紧张，土地资源管控越来越严。我国建有87 873座各型水库，较多仅为灌溉蓄水养殖使用，江河湖海塘坝水域更广阔，水域面积占内陆4%左右面积，超过17万km2，并广泛分布在用电消纳地区。如何有效利用这些水域来建设水上漂浮光伏电站，成为光伏界业内迫切解决的问题[1,2]。

这两年，国内开始逐步兴建水上漂浮光伏电站，但规模均较小，且均设置在静水区域，其水位无变化或变化不大，另外其漂浮体及其之间的联结体形成的整体，并无边框结构支撑，在大风浪下抗力性能差，且不能适应较大的水位变化。本文就如何提供抗风浪能力高，且适应较大水位变化的水上漂浮光伏电站系统展开了分析[3,6]。

2 系统技术方案

将若干光伏组件串分别铺设在若干独立的漂浮体上，漂浮体间通过连接体相互连接，并最终与刚性水平边框体系连接，形成整体结构体系发电方阵；所述刚性水平边框体系由牵引拉索实时牵引，牵引拉索通过水位信号接收及控制器实时控制拉索驱动装置，从而达到实时牵引所述刚性水平边框体系的目的。而刚性水平边框体系由水平钢结构桁架或水平钢结构封闭框架构成，并由漂浮体支托并漂浮于水面上，围成整体稳定性好的封闭结构体系，从而达到了抵抗风浪冲击的目的[4,5,7]。

刚性水平边框由上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖腹杆组成，杆件均采用镀锌方钢管。当边框过长时及边框角部转接头处，需要现场拼装，拼装处钢管设置端头板及连接螺栓孔，并通过不锈钢螺栓连接。

刚性水平边框上方预设紧固连接件，用于固定水位信号接收及控制器和拉索驱动装置；拉索驱动装置设置位置为刚性水平边框的四个角部和四边中部若干位置，同时一个刚性水平边框上仅设置一台水位信号接收及控制器，其通过通信数据线缆传送实时水位数据信号至拉索驱动装置，拉索驱动装置接收到信号后启动驱动，驱动控制卷扬机来牵引拉索。

光伏组件板采用行列式，组件铺设在浮箱上，浮箱与浮箱之间通过销钉连接在一起。刚性水平边框铺设在最外围一圈的浮箱上，且刚性水平边框的四个转角拼接在一起，组成一个刚性体系。刚性水平边框通过角钢与浮箱上预留的螺栓连接。

牵引拉索一端与刚性水平边框连接，另一端通过连接锁具支承于主拉索上，主拉索对牵引拉索起到固定作用。牵引拉索与水平面的夹角控制在40°～60°之间。主拉索张紧后用连接锁具连接于固定在岸边的塔架上。

塔架设立在岸边，塔架由塔架基础及上部钢结构组成，塔架基础根据现场地勘情况采用天然独立基础或者桩基，上部钢结构采用三柱或四柱钢管，通过法兰连接。

3 系统实施技术要点

图1为拉索实时牵引的刚性水平边框体系的工作原理图。该系统的工作原理为：水位监测传感器感应水位变化，并将信号传输给水位信号接收控制器，并反馈给拉索驱动装置，拉索驱动装置通过驱动卷扬机来牵引牵引拉索从而使得刚性水平边框能够适应水位的变化。牵引拉索固定在主拉索上，主拉索张紧后固定在岸边的塔架上。

图2为拉索实时牵引的刚性水平边框体系水上漂浮光伏电站系统平面图。主要包括光伏组件板1，用于铺设组件的浮箱2，用于检修的浮箱3，刚性水平边框4，用于铺设刚性水平边框的浮箱5，牵引拉索6，用于固定牵引拉索的主拉索7，用于固定主拉索的塔架8，水位接收控制器9，拉索驱动装置10，卷扬机11。光伏组件板1采用行列式铺设在浮箱2上，浮箱2与浮箱3通过销钉连接在一起，刚性水平边框4铺设在浮箱5上。图2上下两端的浮箱5和浮箱2通过销钉连接在一起，左右两端的浮箱5和浮箱2、浮箱3通过钢绞线连接在一起。通过以上的措施，刚性水平边框与光伏阵列组成一个稳定的刚性体系。

如图2所示，一个刚性水平边框上仅设置一台水位信号接收控制器9，拉索驱动装置10设置在刚性水平边框的四个角部和四边中部若干位置，牵引拉索6连接刚性水平边框的四个角部和四边中部若干位置。刚性水平边框4的角部转接头以及中部搭接，需要现场拼装，拼装处钢管设置端头板及连接螺栓孔，并通过不锈钢螺栓连接。

图3为刚性水平边框的大样图。图3所示意的刚性水平边框为钢桁架，也可以考虑使用钢框架。主要包括：上弦杆12，下弦杆13，斜腹杆14，竖腹杆15，连接角钢16，镀锌钢板17。用于铺设钢桁架的浮箱5顶部预设8个不锈钢螺栓，通过连接角钢16与钢桁架的上弦杆12以及下弦杆13固定在一起。每个连接角钢16上有2个～3个不锈钢螺栓固定。

图4为图3的剖面图。上弦杆12、下弦杆13、斜腹杆14、竖腹杆15均采用镀锌方钢管。在上弦杆12和下弦杆13顶部铺设镀锌钢板17，主要用于检修通道，同时可以摆放拉索驱动装置和卷扬机以及其他设备。

图5为塔架示意图。主拉索7张紧后用连接锁具连接于固定在岸边的塔架8上。塔架8采用三柱或四柱钢管，塔架基础根据现场地质情况采用天然独立基础或者桩基。牵引拉索6的一端固定在刚性水平边框4上，另一端通过连接锁具与主拉索7连接，牵引拉索6与水平面的夹角控制在40°～60°之间。

该光伏系统的汇流箱可以设置在浮体上，逆变箱变设备设置在岸边。电缆可以通过浮体连接每个组串和汇流箱，最后通过浮体连接到岸边的箱变逆变。

4 结语

本文介绍了如何利用刚性水平边框与浮体的可靠连接，形成一个稳定可靠的刚性体系来抵抗风浪，从而能够提高水面光伏发电系统的安全与可靠性。另外，本文还提供了在水位变化的情况下，如何通过控制器、拉索驱动装置、卷扬机来控制牵引拉索使得该体系能够适应水位的变化。上述系统方案中的两大优势，能够使水面电站更广泛的适用在水位变化较大、流动性水域中，对光伏发电选址要求降低，大大扩展了水面电站的建设范围。