一种柔性拼装式海上光伏发电与养殖网箱综合开发平台

1.本发明针对海上光伏发电结构设计与近海网箱养殖领域，特别是涉及一种抗风浪能力强、可实现海上光伏与近海养殖共同利用的综合开发平台结构。


背景技术：

2.近年来，太阳能光伏发电作为一种绿色清洁可再生能源发展迅速。但陆上光伏发电占用土地面积较大，难以在土地资源稀缺的地区推行，使得光伏发电站的发展受到较大限制。目前大多数陆上光伏发电站建立在远离荒漠地区，距离用电中心远，这使得太阳能光伏发电的用电成本大大增加，这也制约了光伏发电的发展。
3.为解决用电中心土地资源稀缺性与光伏电站发展之间的用地矛盾，水上光伏近年来发展迅速。水上光伏具有不占用土地资源，发电效率更高，立体发展潜力大等优点，而且大多数水上光伏项目距离用电中心近，便于电量的消纳。但是由于适合发展水上光伏电站的内陆水域较少，而且生态问题比较突出，因此水上光伏逐渐从内陆水域开发走向开放海域开发。
4.开放海域的海上光伏结构所面临的环境完全不同，所受的荷载条件更为恶劣，主要在于更大的风浪荷载和潮差，因此相比于水上光伏，海上光伏结构需要完全的重新设计研究，以满足海上的应用条件。
5.近海网箱养殖与海上光伏开发将存在用海矛盾，而共同开发时最好的解决方式。在共同开发平台中，光伏平台可为网箱养殖提供廉价的电力，增强网箱养殖的抗风浪能力，优化网箱养殖所需的流场条件，从而有助于网箱养殖的高质量发展；网箱养殖可为光伏发电场增加综合效益，两者可相得益彰。


技术实现要素：

6.本发明旨在针对上述问题，提出一种柔性拼装式海上光伏发电与养殖网箱综合开发平台，该平台结构具备较强的抗风浪能力，能够实现海上光伏发电和海上网箱养殖的综合开发利用，并具备一定的消浪能力，且有施工简便，维护便捷等特点。
7.本发明的技术方案是：
8.一种柔性拼装式海上光伏发电与养殖网箱综合开发平台，包括光伏单元、系泊单元、网箱单元(c)，系泊单元排布在整个结构阵列的最外侧，环绕整个结构，光伏单元排布在系泊单元所围成的环内，网箱单元(c)分布在光伏单元中，或者设置于系泊单元所围成的环上。
9.其中，光伏单元由光伏单元浮筒、光伏单元框架、光伏板、汇流箱组成，光伏单元浮筒为直立放置的圆柱浮筒，浮筒上部设有三角肋板，上底面设有法兰面用于与光伏单元框架螺栓连接；光伏板和汇流箱设置在系泊单元框架上，汇流箱用于汇集所在单元所有光伏板的发电电流。
10.系泊单元由系泊单元浮筒、系泊单元浮筒连接杆、消浪浮筒、系泊单元框架，系泊
单元浮筒为竖向圆柱浮筒，浮筒上部设有三角肋板，上底面设有法兰面用于与系泊单元框架螺栓连接，系泊单元浮筒连接杆通过焊接连接顺波浪传播方向的两根系泊单元浮筒，系泊单元浮筒连接杆圆心与消浪浮筒的圆心处于同一水平面，消浪浮筒为横置圆柱浮筒，连接于与波浪传播方向垂直的两根系泊单元浮筒。
11.网箱单元(c)由网箱单元浮筒、网箱单元框架、网箱、网箱投料机、储能电池组成，网箱单元浮筒为长方体框架外形浮筒，侧表面设置固定网箱的系耳，与系泊单元框架通过法兰连接，网箱单元框架为横向竖向各三根工字钢梁通过螺栓连接而，网箱投料机和储能电池设置在网箱单元框架上，网箱投料机用于为网箱养殖自动投喂饲料和药品，储能电池用于储存光伏板所发的电量，为网箱投料机提供稳定电能。
12.双铰连接器具有两对在同一平面内互相垂直的转轴组，该两对转轴组各由一个双铰连接器平板轴和一个双铰连接器框架连接轴承组成，以实现所连接的两个单元在横摇和纵摇两个转动方向上自由转动，双铰连接器的双铰连接器平板轴之间通过双铰连接器板连接两对转轴组。
13.进一步的，光伏单元采用小单元拼接的阵列结构，单元间通过双铰连接器连接。
14.光伏单元框架四角处共设置4根光伏单元浮筒，光伏单元浮筒为细长轻型浮筒，其高度为直径2倍以上，工字钢梁高度与光伏板布置的高度相同。
15.系泊单元浮筒连接杆焊接位置位于系泊单元浮筒下端。
16.储能电池与汇流箱电性连接，并通过汇流箱输出电流充电。
17.本发明包括锚绳和锚块，其中锚绳一端系于系泊单元的消浪浮筒，另一端和锚块连接，锚块为混凝土重力锚块。
18.一种柔性拼装式海上光伏发电与养殖网箱综合开发平台的施工方式：1、连接锚块和锚绳，锚绳另一端系有浮球，在指定海域地点抛投锚块；2、系泊单元在岸上预制完成，并将某一行相连的系泊单元依次连接入水，采用拖轮将其拖运至安装地点，将锚绳系于系泊单元；3、将设计阵列的其他单元于港口内拼接完成后，由拖轮运送至安装地点，与已到位的系泊单元连接，并将其他系泊单元与锚绳连接。
19.本发明的有益效果是：
20.一种柔性拼装式海上光伏发电与养殖网箱综合开发平台，一方面采用小单元结构拼接，单元间采用双铰连接，使整体结构具备较大的柔性，允许产生大变形，从而减小结构应力，提高结构承载力，另一方面，采用光伏板下沉于工字钢框架的设计，减小结构所受风荷载，采用细长圆柱浮筒，组成浮筒阵列，使整体结构具有良好的运动学响应，同时减小了结构所受的波浪荷载，从而为海上光伏开发提供了一种抗风浪能力强的光伏板架设方案。
21.因采用轻量单元拼接的结构方式，整体结构施工简便，大面积铺设效率高，无需采用专门的施工设备，施工成本低。
22.采用双圆柱浮筒组成哑铃型浮体作为阵列外围的系泊点，该浮体具备消浪能力，可根据实际环境的风浪特点调整圆柱浮筒之间的距离，从而达到最佳的消浪效果，在减小阵列内部的光伏单元所受波浪荷载的同时，具备防波堤功能。
23.与养殖网箱综合开发，既缓解了海上光伏开发与海上养殖之间的用海矛盾，又为海上养殖提供了清洁能源，同时提高了光伏电站的维护效率和整体经济效益，实现渔光互补开发。
附图说明
24.图1一种柔性拼装式海上光伏发电与养殖网箱综合开发平台整体示意图；
25.图2光伏单元示意图；
26.图3系泊单元示意图；
27.图4网箱单元示意图；
28.图5双铰连接器示意图；
29.图中光伏单元a、系泊单元b、网箱单元c、光伏单元浮筒1、光伏单元框架2、系泊单元浮筒3、系泊单元浮筒连接杆4、消浪浮筒5、系泊单元框架6、网箱单元浮筒7、网箱单元框架8、网箱9、双铰连接器10、光伏板11、汇流箱12、网箱投料机13、储能电池14、锚绳15、锚块16、双铰连接器平板轴17、双铰连接器框架连接轴承18、双铰连接器板19。
具体实施方式
30.参见附图1
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5，本发明一种柔性拼装式海上光伏发电与养殖网箱综合开发平台，由光伏单元浮筒1、光伏单元框架2、系泊单元浮筒3、系泊单元浮筒连接杆4、消浪浮筒5、系泊单元框架6、网箱单元浮筒7、网箱单元框架8、网箱9、双铰连接器10、光伏板11、汇流箱12、网箱投料机13、储能电池14、锚绳15、锚块16构成。其中，光伏单元浮筒1为直立放置的圆柱浮筒，外壳由玻璃钢制成，内里填充泡沫材料，浮筒上部设有三角肋板，上底面设有法兰面用于与光伏单元框架2螺栓连接，在光伏单元框架2四角处共设置4根光伏单元浮筒，光伏单元浮筒1为细长轻型浮筒，其高度应为直径2倍以上；光伏单元框架2由玻璃钢材质的工字钢通过螺栓分段连接而成，横向和竖向工字钢各三根，横向布置的工字钢梁应为市面通用光伏板宽度10倍左右，竖向布置的工字钢梁应为市面通用光伏板长度5倍左右，横向间距应为市面通用光伏板长度的2倍，竖向分布间距应为市面通用光伏板宽度的3.6倍，这样在两根横向工字钢梁之间可设置两列光伏板11，在两根竖向工字钢梁之间可设置3排光伏板11，工字钢梁高度应与光伏板11布置的高度相同，使光伏板11处于工字钢梁的包围中以减小风荷载，提高结构承载力，且所有光伏板都与工字钢梁0距离，工字钢具有足够的宽度以具备通行功能，以此作为运维通道，便于运维人员进行维护，在两根外侧的横向工字钢梁和两根竖向工字钢梁相交处设置法兰，使其能够连接光伏单元浮筒1；系泊单元浮筒3为钢制竖向圆柱浮筒，内部泡沫填充，浮筒上部设有三角肋板，上底面设有法兰面用于与系泊单元框架6螺栓连接，其布置方案与光伏单元浮筒1相同，都设置所支撑的框架四角处；系泊单元浮筒连接杆4为钢管，内部填充泡沫，通过焊接连接顺波浪传播方向的两根系泊单元浮筒3，焊接位置应位于系泊单元浮筒3下端，钢管圆心与消浪浮筒5的圆心处于同一水平面；消浪浮筒5为钢制横置圆柱浮筒，内部泡沫填充，连接于与波浪传播方向垂直的两根系泊单元浮筒3，消浪浮筒5的直径和间距应视实际海域情况计算设定；系泊单元框架6为工字钢焊接而成的框架，外形与光伏单元框架2类似，但工字钢间距视消浪浮筒5的间距要求而定；网箱单元浮筒7为玻璃钢制浮筒，浮筒为长方体框架外形，内部填充泡沫，侧表面设置固定网箱9的系耳，与系泊单元框架6之间依然参考光伏单元通过法兰连接，其入水深度应视养殖需求和结构动力响应要求综合计算确定，一般应大于光伏单元浮筒1的入水深度以增大养殖体积；网箱单元框架8与光伏单元框架2外形类似，同样为横向竖向各三根玻璃钢制工字钢梁通过螺栓连接制成；网箱9由尼龙材料的平面网系于网箱单元浮筒7的系耳制成；双铰连接器10采
用钢材制作，通过螺栓与所连接框架的工字钢梁固定连接，这里的工字钢梁为光伏单元框架2、系泊单元框架6及网箱单元框架8中横向或竖向的三根工字钢梁中居中放置的，双铰连接器10具有两对在同一平面内互相垂直的转轴组，该两对转轴组各由一个双铰连接器平板轴17和一个双铰连接器框架连接轴承18组成，以实现所连接的两个单元在横摇和纵摇两个转动方向上自由转动，双铰连接器10的双铰连接器平板轴17之间设有双铰连接器板19连接两对转轴组；参见附图2和附图3，光伏板11根据光伏单元框架尺寸进行定制，光伏板周边为铝合金边框以便将光伏板通过螺栓固定于框架上；汇流箱12用于汇集所在单元所有光伏板的发电电流后输出电流，对于远离网箱单元c的汇流箱，其汇流后再输送至海底电缆，对于靠近网箱单元c的汇流箱，所输出的电流一部分汇集到海底电缆，一部分用于储能电池14充电，应视网箱投料机的具体功率要求及饲养要求而定；参见附图4，网箱投料机13用于为网箱养殖自动投喂饲料和药品，可采用现有的相关产品；储能电池14用于储存光伏板所发的电量，为网箱投料机13提供稳定电能；参见附图1和附图3，锚绳15为不锈钢钢丝绳，两端分别系于消浪浮筒5和锚块16；锚块16为混凝土重力锚块。参见附图2，光伏单元浮筒1、光伏单元框架2、光伏板11、汇流箱12组成光伏单元a；参见附图3，系泊单元浮筒3、系泊单元浮筒连接杆4、消浪浮筒5、系泊单元框架6、光伏板11、汇流箱12构成系泊单元b；参见附图4，网箱单元浮筒7、网箱单元框架8、网箱9、网箱投料机13、储能电池14构成网箱单元c。在整体阵列布置中，系泊单元b排布在整个结构阵列的最外侧，环绕整个结构，以实现消浪功能和系泊功能，光伏单元a排布在系泊单元b所围成的环内，网箱单元c可分布在光伏单元a中，或者设置于系泊单元b所围成的环上，以满足不同鱼类对水流环境的要求。
31.该实施例中：光伏单元浮筒1，玻璃钢材质，直径0.8m，高6m，壁厚5cm，上部法兰直径1.5m，内部填充泡沫；光伏单元框架2工字梁为玻璃钢材质，横向竖向工字钢梁长度均为12m，腰高0.5m，腿宽0.4m，腰厚5cm，横向分布的工字梁间距为4.5m，竖向分布的工字梁间距为4m；系泊单元浮筒3为钢制外壳浮筒，直径1m，高6m，壁厚1cm，上部法兰直径1.5m，内部填充泡沫；系泊单元浮筒连接杆4为钢管，直径0.8m，长8m，壁厚6mm；消浪浮筒5为钢制外壳圆柱浮筒，直径2.5m，长7m，壁厚8mm，内部填充泡沫；系泊单元框架6除了材质为钢材，钢材厚度为1.5cm外，其他尺寸与光伏单元框架2相同；网箱单元浮筒7采用玻璃钢材质，所处的长方体长宽高分别为9m，8m，10m，浮筒直径为0.6m，壁厚为5cm，上部法兰直径为1.5m；网箱单元框架8与光伏单元框架2相同；网箱9采用尼龙材质，网线直径为0.8cm，网孔直径为5cm；双铰连接器10中框架连接轴承直径为0.4m，平板轴直径为5cm，钢制平板长0.6m，宽0.4m，厚2cm；光伏板11长2m，宽1m，发电功率330w；汇流箱12、网箱投料机13、储能电池14配套设置，锚绳15为不锈钢钢丝绳，直径5cm；锚块16为混凝土重力锚块，重为5t。