漂浮光伏电站系泊系统设计及分析计算

　　摘要：光伏电站是我国新能源电站发展的重要形式，在陆地可用土地越发紧缺的背景下，漂浮式光伏电站因其能适应水深较深、地质较差等水域环境而发展前景广阔。漂浮式电站有别于传统电站之处主要在于水上浮体结构和系泊系统。本文主要对漂浮式光伏电站的水域环境参数计算、水下系泊系统的受力计算进行研究分析，对系泊系统设计应用中的关键点进行论述，为工程中漂浮式光伏电站系泊系统设计、应用、研究提供借鉴和参考。

　　关键词：漂浮式光伏电站;水域参数;系泊系统设计;分析计算

　　0引言

　　在全球新一轮能源革命的背景下，光伏电站作为未来新能源应用的重要形式，飞速发展，2018年全球新增光伏装机规模约106GW。光伏电站占地面积相对较大，在陆上可用土地越发紧缺的背景下，水上漂浮式光伏发电站是未来光伏电站发展的重点方向之一。漂浮式光伏电站在结构系统上分为两部分：水上浮体结构系统和系泊系统。系泊系统是保证漂浮浮体阵列在风浪流作用下，整体漂浮阵列在平面上位置大致稳定的重要结构。常用系泊方法主要有两种：水上固定和水下固定。水上固定：当漂浮光伏阵列距离岸边较近时，可采用锚绳将漂浮光伏阵列与岸边的地锚基础相固定;水下固定：当漂浮光伏阵列距离岸边较远时，可采用锚绳将漂浮光伏阵列与水底锚块或锚桩相固定[1]。

　　水上固定的系泊方式需要满足特定条件，固定于岸边施工速度快，受力简单，锚绳长度、受力特性不会随水位变动、水底情况有大的变化，在满足前提条件下是优先选择的系泊方案。水下固定锚块形式系泊系统则优缺点鲜明，其优点是工程应用上实施方便，施工速度较快;其缺点是实际受力模型可能出现偏差，锚体沉入水中后，对于水底土质环境较差的工程，其入水底泥面的角度不一、深度也不一致，较难进行理论分析计算来确保锚块所提供的锚索拉力是满足设计要求的。本文所分析计算的是水下固定锚桩形式的系泊系统，通过对水域环境要素、各主要外荷载的分析，导出工程上水下固定系泊系统锚绳和锚桩设计的相关要点和分析计算方法。

　　1漂浮电站水域环境分析及设计思路

　　波浪荷载在水面环境较为恶劣时候，对工程的安全、造价、使用周期起着重要作用，在漂浮式光伏电站工程设计应用上，常常难以获取工程设计水域的详实波浪水文资料，如有义波高、平均波长、波速等重要水文要素。对于水上漂浮光伏阵列，采取一定方法评估出波浪水文要素，并结合工程实际环境对波浪要素进行分析是必要的。工程应用上常用基于规则波的设计方法，根据漂浮式平台所处水域的特点，选用某一种主要特征波的参数作为基础(有效波高、波浪周期、水深)，和水上平台结构的尺寸代入Morison方程或绕射理论的工程公式，求出作用于结构上的波浪荷载。

　　这种方法计算较简易，理论发展较为成熟，现常为水上平台工程设计采用。对于漂浮式水上光伏电站，设计思路主要为根据场址风压风速、风区长度、水深等条件，计算出主要的波浪要素，然后通过相关规范中的工程计算方法来分析漂浮平台所受到的波浪荷载和水流荷载。漂浮式光伏电站的浮体整体尺寸一般较大，一般需要应用大尺度绕射理论来计算波浪力和水流力。

　　2工程应用计算方法

　　2.1波浪要素计算

　　波浪要素的计算可参考GB50286-2013《堤防工程设计规范》、SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》中的相关经验方法[2-3]。实际工程应用中，可通过对比计算结果及工程实际环境情况，实测波浪数据等条件，综合得出所需采用的水文波浪数据。

　　2.2永久荷载

　　永久荷载包括光伏组件自重及浮筒结构自重，以及浮筒受到水的浮力。此部分永久荷载为垂直荷载，自重永久荷载与浮筒浮力永久荷载进行平衡，不会通过锚绳传递至锚桩基础上。

　　3系泊系统监测措施

　　3.1水位高度监测措施

　　在系泊系统锚固的漂浮光伏电站中，水位是重要的设计参数。通过监测漂浮电站的水位高程，可以及时了解项目地实际水位与设计高、低水位的关系。可在项目区水位具有代表性的区域安置液位计，以实时监测项目区水位高度变化;通过传感器回传水位高度变化信息，后台使用PC机或数显表读取水位高度变化数据，以达到实时监测项目区水位变化信息的目的。

　　3.2水下锚固系统监测

　　在特殊水域环境如采煤沉陷区等地质条件下，水上锚固系统可能发生沉降，如有必要，工程上应考虑对水下的锚固系统进行拉力监测。一般先设定对应沉锚在正常运行情况下，锚链所受到的拉力数值F。锚链拉力数值可通过项目区正常运行条件计算得出。在每个锚上方选取一根锚链安装拉力传感器，根据锚链所受拉力范围进行传感器选型，并对传感器进行编号。一旦沉锚位置发生沉降时，锚链对支架拉力除正常运行状态下拉力F外，因还受到锚下沉产生的拉力Fl。拉力传感器将受到的拉力数据回传给后台控制系统，因拉力F+Fl>F，后台控制系统提供报警信号。通过控制系统显示报警传感器对应编号，确定发生沉降的位置。

　　4结语

　　本文根据漂浮光伏电站平台所处的不同水域环境条件，总结出了一套可用于漂浮光伏电站系泊系统内锚绳选型、抛锚距离控制、桩基选型、漂浮平台间距控制等关键参数设计的系统性计算方法，指出了一些针对水上漂浮平台设计分析的关键要素。在漂浮光伏电站平台工程设计实践中，通过适量增大设计抛锚距离，可减少锚绳锚链与水平面的倾角，从而达到优化锚绳及锚桩选型的目的。同时，通过对水平抛锚距离的合理选取，可以确定浮筒方阵的最大漂移距离，优化漂浮平台水域布置方式，避免漂浮平台互相之间发生碰撞。

　　参考文献：

　　[1]孙杰.水上光伏电站应用技术与解决方案[J]，太阳能，2017(6)：34.

　　[2]住建部，质检总局.堤防工程设计规范：GB50286-2013[S].北京：中国计划出版社，2014.

　　[3]水利部.碾压式土石坝设计规范：SL274-2001[S].北京：中国水利水电出版社，2002.

　　[4]交通运输部.港口工程结构可靠性设计统一标准：GB50158-2010[S].北京：中国计划出版社，2010.

　　[5]住建部.建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

　　能源方向论文投稿刊物：《太阳能学报》(月刊)创刊于1980年，由中国科协主管，中国太阳能学会主办，北京市太阳能研究所承办，自创刊以来为我国新能源领域的学术交流、人才培养及促进科研成果产业化等方面做出了贡献。主要报道我国太阳能、生物质能、风能、氢能、海洋能及地热能科学技术研究成果。登载学术论文、研究报告、实验仪器和实验技术、技术札记、简报及综述性论文。《太阳能学报》编辑严谨，被《EI》收录比例高。

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