黨瑩穎，甘樂(lè)，李宇飛，丁紅，趙作飛，張清華

（1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.中電投蒙東能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引言

近年來(lái)，水面漂浮式光伏以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸得到廣大光伏發(fā)電投資者的認(rèn)可和青睞。作為水面光伏電站的重要支撐平臺(tái)，浮體架臺(tái)是關(guān)系到整個(gè)光伏電站能否正常運(yùn)行發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。浮體架臺(tái)必須具有良好的抗腐蝕、低密度、抗凍脹、抗風(fēng)浪等特性與之匹配。目前，我國(guó)常見(jiàn)的漂浮式水面光伏電站多采用HDPE浮體。但是在東北等土地資源稀缺、山地條件惡劣的北方高寒區(qū)域，由于氣溫低、冰凍時(shí)間長(zhǎng)、積雪厚度大等原因,浮體架臺(tái)的安全可靠性要求很高，致使漂浮式水面光伏電站一直未能實(shí)施。HDPE浮體在該區(qū)域應(yīng)用面臨較大的考驗(yàn)。

金屬浮體架臺(tái)受北方高寒區(qū)域氣候條件的影響較小，具有良好的延展性和韌性。適用于惡劣環(huán)境。缺點(diǎn)是成本稍高，因此如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少金屬浮體架臺(tái)的結(jié)構(gòu)工程量是控制成本的關(guān)鍵。

1 金屬浮體架臺(tái)結(jié)構(gòu)

浮體架臺(tái)主要由浮體、底梁、立柱構(gòu)成。圖1為漂浮式光伏金屬浮體架臺(tái)的三維示意圖。

圖1 漂浮式光伏金屬浮體架臺(tái)三維示意圖

根據(jù)一般漂浮式光伏金屬浮體架臺(tái)各構(gòu)件的材料用量統(tǒng)計(jì)，立柱占總材料用量約8%，底梁占約30%，浮體占約60%，其他構(gòu)件占約2%。

優(yōu)化金屬浮體架臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)從優(yōu)化浮體和底梁的兩個(gè)主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)入手，選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的構(gòu)件型式。

2 浮體

2.1 浮體截面選型

金屬結(jié)構(gòu)浮體為了便于金屬構(gòu)件加工，其橫斷面一般為較規(guī)則的幾何形狀，如：半圓形、圓形和正方形等。為了分析不同截面的形式，本研究通過(guò)對(duì)比提供同樣大小浮力的不同形狀浮體的材料用量，以尋找出經(jīng)濟(jì)性較好的浮體截面。

浮體浮力計(jì)算：

其中，V排為排除流體的容積，可表示為V排=S*L，S為截面面積，L為浮體長(zhǎng)度。

假定在極端工況下浮體全部沒(méi)入水中，當(dāng)浮體長(zhǎng)度相同時(shí)，不同截面形狀的浮體，若截面積S相同，則其浮力相同，但材料的用量卻不一定相同。材料用量可認(rèn)為是浮體的表面積與浮體厚度的乘積，而浮體在截面面積和長(zhǎng)度相同的情況下，表面積與截面周長(zhǎng)成正相關(guān)。以半圓形、圓形和正方形為例，他們周長(zhǎng)與截面面積的關(guān)系為：

半圓形周長(zhǎng)： ；

圓形周長(zhǎng)： ；

正方形周長(zhǎng)：

取π=3.14，則L1：L2：L3=4.1:2.09:4

從材料用比可以看出，提供相同浮力時(shí)，正方形和半圓形截面材料用量基本相同，而圓形截面浮體材料用量最少，僅為正方形和半圓形截面材料用量的二分之一，在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選擇圓形截面。

2.2 浮體壁厚

金屬浮體的壁厚計(jì)算，不但要考慮浮體會(huì)受到漂浮物的沖擊或檢修船只的靠泊碰撞以及各種不利運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的受荷情況的影響。對(duì)于封閉體，金屬浮體的制作一般采用卷制和焊接，材料的壁厚必須同時(shí)滿足焊接的最小厚度要求。鋼板浮體壁厚一般還要增加腐蝕裕量1～3mm。

金屬材料較HDPE的密度大很多，以鋼材為例，其密度約是HDPE的7.8倍。金屬浮體壁厚對(duì)凈浮力影響較大，浮體很大一部分浮力都被自身重力所抵消，經(jīng)濟(jì)性較低。以鋼結(jié)構(gòu)浮體為例，當(dāng)圓形截面直徑為300mm，長(zhǎng)度為1000mm,不同的壁厚對(duì)凈浮力的影響。詳見(jiàn)表1。

表1 不同壁厚浮體的凈浮力對(duì)比

從表1中可以看出，浮體壁厚從3mm變?yōu)?mm后，單個(gè)的浮體能夠提供的凈浮力減小了約18%，增加用材料用量100%。

由此可見(jiàn)，金屬浮體應(yīng)選用不銹鋼等自身防腐性能較好的材料。不銹鋼由于其表面一層薄而致密的富鉻氧化膜，使得不銹鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可在-270℃～400℃的溫度下長(zhǎng)期安全工作，無(wú)論是高溫還是低溫，都不會(huì)析出有害物質(zhì)，材料性能相當(dāng)穩(wěn)定。

（2）安全無(wú)毒，無(wú)腐蝕和滲出物，無(wú)異味或混濁問(wèn)題，不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成二次污染，保持水質(zhì)純凈衛(wèi)生，衛(wèi)生安全性達(dá)到完全保證。

（3）不銹鋼具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、變形不易破裂和環(huán)保性能，不易銹蝕，且具有良好的延展性和韌性。適用于惡劣環(huán)境（濕、酸堿等戶內(nèi)外環(huán)境）下使用。

不銹鋼的采用不銹鋼焊接外殼并填充泡沫的形式，可充分發(fā)揮不銹鋼的高強(qiáng)度、耐腐蝕、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)北方高寒區(qū)域氣候條件。

2.3 底梁設(shè)計(jì)

漂浮式浮體架臺(tái)與傳統(tǒng)地面光伏支架的區(qū)別在于：

（1）除受到風(fēng)壓、雪壓外，還需要考慮波浪力和檢修人員在浮體上的施工荷載；且由于浮體在上浮和下沉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的回復(fù)力，架臺(tái)受力狀況更為復(fù)雜。在漂浮式光伏金屬浮體架臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常將浮體架臺(tái)分成若干個(gè)模塊，模塊之間通過(guò)柔性連接件和錨固系統(tǒng)減少波浪力對(duì)浮體架臺(tái)的影響。因此，一般建設(shè)在內(nèi)陸水域的漂浮式光伏金屬浮體架臺(tái)的設(shè)計(jì)可暫不考慮波浪力對(duì)其產(chǎn)生的動(dòng)力影響。重點(diǎn)關(guān)注浮體架臺(tái)在自重、風(fēng)荷、雪荷、人群荷載以及施工荷載下的靜力分析，并充分考慮浮體上浮下沉對(duì)支座約束的影響。

（2）光伏板固定在浮體架臺(tái)上，浮體架臺(tái)在風(fēng)浪作用下不規(guī)則的浮動(dòng)，光伏板的安裝角度對(duì)浮體的安全穩(wěn)定性影響較大。故漂浮式水面光伏一般沒(méi)有嚴(yán)格按照最佳傾角來(lái)布置，而是根據(jù)項(xiàng)目所在水域的實(shí)際條件來(lái)選擇光伏組件的傾角。

為了分析底梁的受力情況，本研究建立了三種不同傾角條件下的漂浮式金屬底梁模型，采用相同的外部荷載條件和各構(gòu)件截面來(lái)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

由于各種金屬材料在受力情況下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變特征相似，且為了更好的對(duì)比不同情況下浮體架臺(tái)的受力情況，本文選用鋁合金作為構(gòu)件材質(zhì)進(jìn)行分析。

鋁及鋁合金其它金屬材料相比，具有以下一些特點(diǎn)：①密度?。讳X及鋁合金的密度接近2.7g/m3，約為鐵或銅的1/3。

②強(qiáng)度高鋁及鋁合金的強(qiáng)度高；經(jīng)過(guò)一定程度的冷加工可強(qiáng)化基體強(qiáng)度,部分牌號(hào)的鋁合金還可以通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化處理。

③導(dǎo)電導(dǎo)熱性好；鋁的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能僅次于銀、銅和金。

④耐蝕性好鋁的表面易自然生產(chǎn)一層致密牢固的AL2O3保護(hù)膜，能很好的保護(hù)基體不受腐蝕。通過(guò)人工陽(yáng)極氧化和著色，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。

⑤易加工添加一定的合金元素后，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。

2.3.1 荷載計(jì)算

（1）光伏板自重。組件板多晶硅板材，取尺寸為990mm×1650mm×40mm。單塊板重量為20kg，則光伏板計(jì)算荷載為：

（2）走道板自重。走道板為鋼格柵板，考慮每平米自重為36kg，計(jì)算荷載為：

（3）風(fēng)壓荷載。

基本風(fēng)壓： ；

地面粗糙度為B，由于浮體架臺(tái)高度不足5m，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[1]，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為：μz=1.0；

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797-2012）[2]，風(fēng)荷載體型系數(shù)為：μs=1.3；

不考慮風(fēng)振系數(shù)；

則風(fēng)壓荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

（4）雪壓荷載。

基本雪壓： 。

由于漂浮式水面光伏傾角小于25°，故積雪分布系數(shù)為μr=1.0。

則雪壓荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

（5）施工荷載：取q=1kN。

2.3.2 底梁結(jié)構(gòu)建模

底梁根據(jù)其布置方向分為南北梁和東西梁，本研究選擇連續(xù)長(zhǎng)條狀的浮體，檢修過(guò)道布置在浮體正上方。由于不同傾角對(duì)應(yīng)的陰影面積不同，南北梁的長(zhǎng)度及跨度隨著角度增大而增大，選取15°、20°和25°作為對(duì)比傾角，浮體架臺(tái)底梁布置示意圖如下：

圖2 浮體架臺(tái)底梁示意圖

鋁合金構(gòu)件截面一般為異性構(gòu)件，為方便計(jì)算，此處取其等效截面如下：

南北梁：方鋼42×30×1.65

東西梁：方鋼40×40×1.65

本計(jì)算模型采取兩種建模方式：第一種，假設(shè)浮體的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底梁的剛度，將浮體簡(jiǎn)化為鉸支座計(jì)算；第二種，認(rèn)為浮體的剛度不能忽略，將浮體簡(jiǎn)化為彈簧支座計(jì)算。

浮體在水中上下振蕩時(shí)，水會(huì)對(duì)浮體產(chǎn)生垂蕩回復(fù)力，浮體在水中的運(yùn)動(dòng)類似于在彈簧上的運(yùn)動(dòng)，體現(xiàn)為浮體的垂蕩回復(fù)剛度ρgAw，其中Aw是浮體的水線面面積。本研究為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取在靜水自重情況下浮體吃水（一般為2/3吃水深度）的水線面面積，以此時(shí)的垂蕩回復(fù)剛度作為結(jié)構(gòu)建模時(shí)彈簧的剛度值K。

2.3.3 底梁建模計(jì)算

本研究采用STAAD.Pro V8i軟件進(jìn)行建模計(jì)算，通過(guò)該軟件的有限元分析功能計(jì)算底梁的受力和變形。根據(jù)計(jì)算初步判斷：東西梁受力均小于1N/mm2，相對(duì)變形接近0，受力和變形都較小。因此，重點(diǎn)對(duì)南北梁的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力及變形進(jìn)行計(jì)算對(duì)比[3]。

（1）浮體簡(jiǎn)化為鉸支座時(shí)的計(jì)算結(jié)果：

a.水面光伏15°、20°、25°三種狀態(tài)下最大應(yīng)力發(fā)生在邊支座處；最大相對(duì)變形發(fā)生在跨中。

b.從表2和表3中可以看出：隨著角度的增加應(yīng)力及相對(duì)變形相應(yīng)加大，其中相對(duì)變形增加幅度較大。

表2 鉸支座風(fēng)荷載組合計(jì)算結(jié)果

表3 鉸支座施工荷載組合計(jì)算結(jié)果

（2）浮體簡(jiǎn)化為彈簧支座。

a.水面光伏15°、20°、25°三種狀態(tài)下最大應(yīng)力發(fā)生在邊支座處；風(fēng)荷載組合最大相對(duì)變形發(fā)發(fā)生在跨中，施工荷載組合相對(duì)變形發(fā)發(fā)生在邊跨懸臂端。

b.從表2和表3中可以看出：風(fēng)荷載組合計(jì)算，隨著角度的增加壓，應(yīng)力和相對(duì)變形相應(yīng)加大，其中，相對(duì)變形增加幅度較大，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力在角度由20°變?yōu)?5°時(shí)，發(fā)生突變；施工荷載組合計(jì)算，隨著角度的增加相對(duì)變形相應(yīng)加大，應(yīng)力和在角度由15°變?yōu)?0°時(shí)增加幅度較小，由20°變?yōu)?5°時(shí)，應(yīng)力減少。

表4 彈簧支座風(fēng)荷載組合計(jì)算結(jié)果

表5 彈簧支座施工荷載組合計(jì)算結(jié)果

2.3.4 計(jì)算成果分析

（1）將浮體簡(jiǎn)化為鉸支座后，因?yàn)槭┕ず奢d加載在浮體正上方，施工荷載對(duì)浮體架臺(tái)幾乎無(wú)影響。由風(fēng)荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值最大。

（2）將浮體簡(jiǎn)化為彈簧支座時(shí)，隨著傾角變大，南北跨距變長(zhǎng)，由風(fēng)荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值逐步超過(guò)由施工荷載控制效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

（3）將浮體簡(jiǎn)化為彈簧支座時(shí)，隨著傾角變大，南北跨距變長(zhǎng)，由施工荷載控制效應(yīng)設(shè)計(jì)值得到的應(yīng)力逐漸變小，相對(duì)變形逐漸變大。

（4）兩種簡(jiǎn)化建模方式，由風(fēng)荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值得到的應(yīng)力和相對(duì)變形都會(huì)隨著傾角的變大而變大。

（5）兩種簡(jiǎn)化建模方式，由風(fēng)荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值得到變形結(jié)果相近。簡(jiǎn)化為彈簧支座的計(jì)算結(jié)果會(huì)略小于簡(jiǎn)化為固定支座的計(jì)算結(jié)果。

2.3.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

（1）在設(shè)計(jì)漂浮式底梁的南北梁和東西梁時(shí)，可忽略風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力。東西梁只作為連接構(gòu)件，受力和變形都較小，可選擇較小截面的構(gòu)件。

（2）傾角大于20度時(shí)，浮體架臺(tái)的受力和變形增大幅度較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇截面慣性矩較大而自重較小的截面。

（3）不同截面浮體計(jì)算的差異性。

a.正方形截面浮體浮體在不同吃水深度時(shí)的水面線面積相同，簡(jiǎn)化為彈簧支座的模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

b.圓形、半圓形等截面的浮體來(lái)說(shuō)，由于浮體在不同吃水深度時(shí)水面線面積不同，垂蕩回復(fù)剛度也隨之改變。半圓形截面會(huì)在吃水增大時(shí)增大垂蕩回復(fù)剛度，截面的浮體所簡(jiǎn)化成的彈簧剛度會(huì)隨著荷載的增大而增大；圓形截面則相反，垂蕩回復(fù)剛度會(huì)隨著吃水增大而減小，模型中的彈簧剛度也隨之減小。因此，采用半圓形截面浮體的浮體架臺(tái)底梁，受力情況會(huì)介于兩種簡(jiǎn)化模型得到的結(jié)果之間；采用圓形截面的浮體的浮體架臺(tái)底梁的受力情況計(jì)算建議采用極端情況下最大吃水時(shí)的垂蕩回復(fù)剛度作為模型彈簧的剛度。

3 結(jié)語(yǔ)

漂浮式光伏金屬浮體架臺(tái)因工程造價(jià)加高，目前在工程中運(yùn)用的案例極少。本文以金屬浮體架臺(tái)能較好的適應(yīng)北方高寒區(qū)域氣候條件為契機(jī)，通過(guò)漂浮式光伏金屬架臺(tái)組件的分析和研究，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，以優(yōu)化浮體截面入手，減少材料的用量；根據(jù)不同金屬材料的特點(diǎn)，提出以不銹鋼+鋁合金材料的優(yōu)化方案；針對(duì)不同的荷載組合工況分析，總結(jié)出應(yīng)處理方法。

漂浮式光伏金屬浮體架臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效的降低工程成本，為其工程應(yīng)用了一個(gè)新的思路。