張莉，趙進(jìn)科

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450046)

0 引言

隨著可用于建設(shè)光伏電站的土地資源日益緊張，水面光伏電站的建設(shè)正逐漸興起[1]。尤其是在近幾年對采煤沉陷區(qū)水面的大規(guī)模開發(fā)利用中[2]，水面漂浮電站的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

水面光伏電站目前主要有固定樁式和漂浮式等2種[3]：固定樁式主要應(yīng)用于水深小于3.00 m的淺水區(qū)[4]，主要施工方法是將長預(yù)制管樁打入水底用以固定，可將水塘存水抽空或采用打樁船進(jìn)行施工；漂浮式光伏電站是一種較為新型的光伏電站，主要應(yīng)用于水面徑流穩(wěn)定(水位變化小于6.00 m)的水面。

光伏組件采用浮筒或者浮箱固定，光伏陣列一般采用打樁牽引式或岸邊地錨式(即采用拉索對整個漂浮電站進(jìn)行牽拉)固定，以防止其在風(fēng)和波浪的作用下大范圍移動。雖然在電站設(shè)計時考慮了水流對單個浮體的沖擊[5]，但是在光伏陣列牽引點的局部載荷仍然很大。即使對水面漂浮陣列采取了一定的牽拉措施，國內(nèi)個別新建水面漂浮電站仍然出現(xiàn)了較大規(guī)模的光伏陣列漂移、碰撞等安全事故。

由此可見，漂浮式光伏電站在應(yīng)用上還存在一些問題，尤其在水位變化較大或者水位較深的水域目前基本沒有應(yīng)用。我國南方廣大地區(qū)有大量的湖泊和水庫，根據(jù)水庫的蓄洪、調(diào)洪和發(fā)電需要，水位變化較大、水流也不穩(wěn)定，應(yīng)用漂浮式光伏電站的難度較大。

自適應(yīng)水位變化的防護(hù)系統(tǒng)可以根據(jù)水位變化自動升降，對光伏陣列進(jìn)行防護(hù)，可有效保證漂浮光伏電站在水位變化的水面上安全、穩(wěn)定運行，具有較大的應(yīng)用前景。

1 布置與構(gòu)成

防護(hù)系統(tǒng)布置在水面光伏組件陣列周圍，主要由防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)、錨鏈、錨塊及卷鏈機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 防護(hù)系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of the protection system

防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)可以根據(jù)所在水域的水流情況合圍成不同的形狀，以抵御水流和污物的沖擊。

防護(hù)系統(tǒng)與光伏組件陣列的浮箱支架之間采用柔性耐腐蝕的繩索連接，如圖2所示。當(dāng)光伏組件陣列之間發(fā)生相對運動時，防護(hù)系統(tǒng)可以對其進(jìn)行牽拉，以避免較大的沖擊。

圖2 防護(hù)系統(tǒng)與光伏陣列的連接Fig.2 Connection between the protection system and PV array

防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁間通過銷軸進(jìn)行鉸接。鋼梁采用4個密封空心的箱型梁焊接而成，鋼梁頂面用作檢修通道。鋼梁分為主動鋼梁和被動鋼梁，主動鋼梁上布置有卷鏈機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

卷鏈機(jī)構(gòu)用來控制錨鏈的收放,主要由電動機(jī)、回轉(zhuǎn)減速機(jī)、主動鏈輪、導(dǎo)向鏈輪和盛鏈箱組成，如圖4示。錨鏈一端固定在水底的錨塊上，另一端繞過導(dǎo)向鏈輪和驅(qū)動鏈輪，放置在盛鏈箱內(nèi)。

圖4 卷鏈機(jī)構(gòu)Fig.4 Structure of the chain mechanism

2 工作原理

自適應(yīng)防護(hù)系統(tǒng)具有專門的控制中心?？刂浦行脑O(shè)置有人機(jī)交互界面，可以實時讀取、視頻監(jiān)控漂浮電站所處水域的水位信號、風(fēng)速信號、水流信號。在安裝防護(hù)系統(tǒng)時，根據(jù)水位情況設(shè)置漂浮光伏電站的初始水位高度和所有卷鏈機(jī)構(gòu)的錨鏈長度。防護(hù)系統(tǒng)運行時，如果所在水域水位上升并達(dá)到設(shè)定的差值時，卷鏈機(jī)構(gòu)電動機(jī)啟動，驅(qū)動鏈輪帶動錨鏈轉(zhuǎn)動，放下錨鏈，防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)和光伏組件陣列可以隨水位上浮，當(dāng)錨鏈長度達(dá)到新的計算值時，電動機(jī)停止運行。反之，水位下降時，系統(tǒng)收起錨鏈進(jìn)盛鏈箱，保持錨鏈對漂浮光伏電站的固定作用，保持漂浮電站在水平面內(nèi)相對穩(wěn)定，阻止在水面上的大幅度漂移。此外，根據(jù)現(xiàn)場情況和視頻監(jiān)控情況，當(dāng)防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)或浮箱陣列發(fā)生設(shè)計外的偏移時，也可以通過單獨控制防護(hù)系統(tǒng)的單個卷鏈機(jī)構(gòu)，調(diào)整各個錨鏈的長度以獲得需要的防護(hù)系統(tǒng)位置。

3 主要部件的設(shè)計和受力分析

以某蓄洪發(fā)電水庫1 MWp漂浮光伏電站為例，單個組件峰值功率為355 Wp，組件傾角暫為12°，組件尺寸為1 956 mm×992 mm×40 mm，18個組件為一串，16串組件分別接入16路光伏匯流箱，匯流箱接入岸上的集中逆變器。光伏電站寬約85.00 m，長約135.00 m，約占用水域面積11 000 m2，水深約60.00 m，光伏電站在壽命時間內(nèi)水域最大水位變化為40.00 m，這一變化范圍基本上可以適用于大部分的水庫或者湖泊。

除了水庫水位變化，水面漂浮光伏電站還應(yīng)能夠承受水流、風(fēng)力和波浪的荷載[6]。適當(dāng)考慮電站的實際運行情況、水面漂浮物的沖擊等[7]，在光伏電站不出現(xiàn)解體、不影響水力發(fā)電的前提下，對防護(hù)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行設(shè)計和受力分析。

3.1 防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)受力分析[8-9]

防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)受到的主要荷載包括水流、風(fēng)和波浪荷載。

水流對防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的水平力集度

式中：Kc為水流阻力系數(shù)，取1.8；γc為水重度，取9.800 kN/m3；uc為水流流速，需要根據(jù)水庫的具體運行情況進(jìn)行實測，這里暫時取0.6 m/s；hc為浮箱入水深度，根據(jù)該防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可以計算得到其入水深度約為0.30 m；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

風(fēng)對防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的水平力集度

式中：Ka為空氣阻力系數(shù)，取1.9；γa為空氣重度，取0.012 kN/m3；ua為風(fēng)速，取17.0 m/s；ha為鋼結(jié)構(gòu)露出水面高度，為0.50 m。

波浪對防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的水平力集度

式中：η為波浪壓力修正系數(shù)，取0.365；2h1為波浪高，取0.50 m；h0為波浪中心線距離水面的距離，取0.15 m；2L1為波長，取8.00 m。

為了考慮極端天氣水流情況，這里將3種荷載進(jìn)行簡單的疊加，這個運行工況可能出現(xiàn)在防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的迎水迎風(fēng)面上。水流、風(fēng)和波浪共同作用下的水平力集度

p=pc+pa+pw=4.915 (kN/m) 。

3.2 防護(hù)鋼梁的有限元分析

防護(hù)系統(tǒng)中未設(shè)置卷鏈機(jī)構(gòu)的鋼梁最大連續(xù)長度為4節(jié)，每節(jié)鋼梁長度10.00 m。以4節(jié)自由鋼梁為分析對象，計算鋼梁在極端天氣水流情況下的強(qiáng)度和變形情況。

首先建立4節(jié)鋼梁的實體模型并進(jìn)行裝配，鋼梁材料為Q235B。然后對4節(jié)鋼梁的兩端進(jìn)行鉸接約束，相鄰的鋼梁之間設(shè)置鉸接連接。最后對每節(jié)鋼梁按照疊加計算的水平力集度4.915 kN/m施加荷載，進(jìn)行仿真運算[10]。

在荷載作用下4節(jié)防護(hù)鋼梁的變形情況如圖5所示，鋼梁跨中發(fā)生彎曲，最大的位移約為0.40 m。由于鋼梁和光伏組件陣列之間采用了柔性連接，且4節(jié)鋼梁總長約40.00 m，該位移不會對光伏組件陣列產(chǎn)生明顯影響。

圖5 防護(hù)鋼梁位移圖Fig.5 Protective steel beam displacement diagram

鋼梁最大應(yīng)力的發(fā)生位置位于兩端的鉸接約束位置，局部超出屈服強(qiáng)度是由應(yīng)力集中引起的(如圖6所示)。這一情況在具體的工程中可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行緩解。鋼梁主體部分的等效應(yīng)力在70 MPa左右，鋼梁的強(qiáng)度可以滿足材料的許用應(yīng)力要求。

圖6 防護(hù)鋼梁應(yīng)力圖Fig.6 Stress diagram of protective steel beam

3.3 卷鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)水庫水位變化較大時，卷鏈機(jī)構(gòu)需要根據(jù)水位的變化情況在控制中心的自動控制下調(diào)整每條錨鏈的長度，以保證整個防護(hù)鋼結(jié)構(gòu)和光伏陣列漂浮在一個安全可控的范圍內(nèi)。卷鏈機(jī)構(gòu)的運行工況為正常的風(fēng)力、水流和波浪，所以不考慮極端情況下3個荷載的疊加作用。正常天氣情況下，風(fēng)力、水流和波浪的綜合作用水平力集度暫按1.000 kN/m考慮，具體設(shè)計時需要根據(jù)所在水域的實際情況設(shè)計。由于水庫水位變化慢，卷鏈機(jī)構(gòu)的運行速度要求不高，暫按1.5 m/min考慮。另外，根據(jù)錨鏈的型號設(shè)計驅(qū)動鏈輪，驅(qū)動鏈輪分度圓直徑設(shè)計為560 mm。

計算卷鏈機(jī)構(gòu)的負(fù)載功率

P1=Fv=750(W) ，

式中：F為錨鏈拉力，通過計算取30 kN；v為錨鏈的運行速度，為1.5 m/min。

考慮傳動機(jī)構(gòu)的效率，選擇YE2-80M2-2型電動機(jī)，額定功率1.1 kW，同步轉(zhuǎn)速2 800.00 r/min。由鏈輪直徑可以計算出回轉(zhuǎn)減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速需要1.00 r/min，需要的減速比為2 800。電機(jī)輸出端設(shè)置行星減速機(jī)，選擇行星減速機(jī)型號為ZB115-L2，速比為30，額定輸出轉(zhuǎn)矩為235 N·m?；剞D(zhuǎn)減速機(jī)速比高，運行穩(wěn)定，具有反向自鎖功能，適合用于該卷鏈機(jī)構(gòu)的運行工況。選擇回轉(zhuǎn)減速機(jī)型號為SD17，速比為102，額定輸出扭矩10 kN·m，保持力矩1 356 kN·m，徑向靜載荷970 kN。

在完成卷鏈機(jī)構(gòu)的電動機(jī)、行星減速機(jī)和回轉(zhuǎn)減速機(jī)的選型后，可以計算出卷鏈系統(tǒng)的總減速比3 060，額定輸出轉(zhuǎn)速0.92 r/min，卷鏈機(jī)構(gòu)的收放速度為1.6 m/min，滿足系統(tǒng)運行需求。

4 結(jié)束語

為了使漂浮式光伏電站克服當(dāng)前應(yīng)用過程中的困境，拓展應(yīng)用范圍，適應(yīng)水位變化和水流沖擊，設(shè)計了一套能夠自動適應(yīng)水位變化的漂浮光伏電站防護(hù)系統(tǒng)。通過計算和仿真，防護(hù)系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)可以在極端天氣、水流情況下抵御水流、風(fēng)力和波浪的沖擊，對漂浮電站進(jìn)行可靠防護(hù)。卷鏈機(jī)構(gòu)可以在水位發(fā)生變化時，自動收放錨鏈，保持防護(hù)系統(tǒng)和光伏組件陣列的相對穩(wěn)定。在未來的漂浮式光伏電站建設(shè)中，可以對該技術(shù)進(jìn)行實際的驗證并逐步推廣。