环形浮管式水面光伏发电系统的制作方法

本实用新型涉及光伏发电技术领域，具体地指环形浮管式水面光伏发电系统。

背景技术：

目前光伏发电市场飞速发展，但土地资源已经成为现阶段地面光伏电站大力发展的重要限制因素。水上漂浮式光伏电站利用某种水上基台将光伏组件漂浮在水面进行发电，可大力节省土地资源。同时，区别于地面与屋顶光伏，水面光伏由于离水面近，具备发电效率较高、可改善气候及水体生态环境、方便清洗等优点，近年来得到大力发展。目前水面光伏主要建设在风浪较小的湖泊、水库区域，少部分建设在水面较为平静的支流上，多数处于人口密度较小或电量供应充足的地区。而在人口密集且用电需求大的沿江或沿海区域，却暂无水面光伏建设。

国内外已提出多种形式的水面光伏系统，按浮体种类可分为浮体式及浮管式。浮体式按布置方式可大致分为两种类型：一种是在一个浮体上布置一块或若干块光伏板，组成一个小单元，如中国专利号CN105186968，这种布置的特点是安装简便，但单元与单元之间的连接通常是薄弱点，整体稳定性较差，且浮体结构使用HDPE材质，具有耐腐蚀、承载能力强等特点，但由于大量使用HDPE材料，浮体成型要求精度高，浮体成本高；另一种是先在浮体上铺设钢支架组成方形浮体平台，然后在钢支架上铺设光伏板，组成一个较大的方形矩阵，如中国专利号CN201320070930.5，这种布置稳定性稍好，但连接较多且安装十分麻烦。浮管式的布置方式一般是在长浮管上搭设钢支架，然后在钢支架上铺设光伏板，如中国专利号CN104953934，这种布置具有浮管易获取、加工制造简单、单元模块化的特点，但单元与单元之间的连接麻烦，且在大风浪情况下直管稳定性远不如环形管。因此设计一种成本低、安装简单、耐腐蚀及稳定性好的水面光伏系统十分重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，本实用新型的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，设计一种环形浮管式水面光伏发电系统，该系统利用环形管良好的抗风浪功能，且浮体获取加工简单、高度模块化、稳定性优良、连接安装简单、成本低、使用寿命长等特点，可同时用于风浪较小的湖泊水库区域及风浪较大的沿江沿海地区。

本实用新型的目的是通过如下措施来达到的：环形浮管式水面光伏发电系统，包括平台单元，其特殊之处在于，所述平台单元包括环形浮管组、底支架、光伏元件支撑组件、光伏板和连接件；所述环形浮管组为若干个不同曲径的环形浮管同心布置，所述环形浮管组的上方布置底支架，所述底支架与环形浮管组通过连接件固定，所述底支架由正交布置于环形浮管组上方的主支架和相互平行布置于主支架之间的副支架组成，所述主支架和副支架上固定连接光伏元件支撑组件，所述光伏板与光伏元件支撑组件嵌入式卡合。

进一步地，所述平台单元为若干个，相互之间通过减震装置连接，提高整体稳定性的同时可吸收平台与平台之间的碰撞。

更进一步地，所述环状浮管由若干根短浮管首尾连接而成，管子大小均采用国标规范中的管径，以便于运输和安装。所述环状浮管的截面形状为圆形、方形或者多边形，从而增加浮管选取的多样性。

更进一步地，所述连接件包括限位卡件和非限位卡件，限位卡件的底部与环形浮管卡合，并设置限位螺杆，顶部通过螺杆与主支架连接；所述非限位卡件的底部与环形浮管卡合，顶部通过螺杆与副支架连接。

更进一步地，所述连接件还包括用于连接主支架和副支架的直角连接件。

更进一步地，所述光伏元件支撑组件包括前支撑、后支撑和光伏板限位件，所述后支撑与光伏板的底部卡合，所述光伏板的中上部嵌入前支撑，所述光伏板限位件的一端设置于前支撑上部，另一端设置有限位钢片，所述限位钢片与光伏板的顶部卡合，用以防止光伏板在大风浪情况下沿压块方向的滑动。后支撑用于支撑光伏板下端及限制其左右活动，前支撑用于支撑光伏板中前部，限制其左右和上下活动。

更进一步地，所述前支撑和后支撑的底部设置有立体限位槽和螺栓，并通过所述立体限位槽和螺栓与底支架固定连接。光伏板支撑采用简化设计理念，尽量减少连接件的数量，从而减小施工量：前后支撑底座均采用半边凹槽设计；后支撑连接处采用插入式设计；前支撑采用底座与支撑杆合并的多功能压块设计，压块可同时用于压紧光伏板、横杆及限位件。

更进一步地，所述光伏元件支撑组件还包括横杆，所述横杆为横截面为L形或者C形的型材，嵌入前支撑，所述光伏板的中上部搁置在横杆上。

更进一步地，所述后支撑设置有安装槽，所述前支撑顶部设置有压块，所述光伏板限位件和压块通过支撑螺杆固定，所述前支撑底部至少设置一个加强筋，从而增加前支撑的稳定性。

更进一步地，所述主支架和副支架上布置走道，所述走道设置有走道限位件，走道限位件通过前支撑的支撑螺杆与主支架和副支架固定。走道可采用HDPE材料、不锈钢、镀锌钢及玻璃钢等刚性防腐材料制成的格栅板，每两排光伏板铺设一排辅走道，各辅走道通过中心一排垂直的主走道进行连接，辅走道底部左右两侧铺设钢支架以提高走道稳定性。

本实用新型提供的环形浮管式水面光伏发电系统，具有以下优点：

1、该光伏系统采用高度模块化思想，通过将浮管连接成若干不同半径的同心圆环形状，作为模块主浮体，该设计减少了连接件，可实现在陆地安装后吊装入水中，极大减小了安装难度，增加了整体和局部稳定性。

2、浮管采用耐腐蚀性材料，使用寿命长。浮管设计不仅能最大化减少浮管使用量，利用浮管自身的长度优势能大幅减小连接件的数量，内部浮管可平均钢支架的受力，防止中心处的钢支架由于负重而弯曲下沉，同时可以利用外围浮管减弱波浪，维持浮管内部水面的相对平静，且在大风浪情况下，圆形是相对最稳定的结构。

3、通过在同心环形浮管上搭建支架，共同组成水面光伏系统浮体平台单元，该设计将支架平行铺设在同心圆环上，解决了支架悬空长度过大的问题，通过主支架连接固定各个同心环形浮管，进一步提升模块整体的稳定性。

4、底部支架上固定优化设计的光伏板支架，通过减小光伏板的安装高度，增加了光伏板的亲水性，提高了光伏转化效率，同时整体重心降低，系统稳定性强。

5、光伏板前后支撑底板采用立体限位设计，不仅能通过刚性限位极大改善螺栓受力，提高支撑在大风浪下的稳定性，同时能减少螺栓使用数量，降低安装难度。

6、光伏板支撑采用共同连接技术，一组光伏板前后支撑可同时支撑两块光伏板，简化了系统设计，降低了安装难度。

7、光伏板后支撑采用插槽式设计，不仅安装简单，且减少了连接件数量。

8、光伏板前支撑采用简化设计，前支撑可同时支撑横杆、光伏板及限位钢条，只需一颗螺栓进行固定，极大简化了系统，降低了安装难度。

9、走道直接铺设在底支架上，通过走道限位件、利用光伏板支撑固定螺栓进行简单，降低了系统成本、降低了安装难度。

10、由于采用光伏板支撑立体限位、共同连接、多功能简化及插槽式设计，同时浮体采用长浮管设计，走道采用简单限位设计，使得平均每块光伏板螺栓数量仅仅约为6颗，相较传统设计极大减小了螺栓使用量，降低了安装难度，缩短了建设周期。

11、平台与平台互相连接组成大型光伏阵列，同时设有水底锚固装置及防浪装置，抗风浪能力进一步提升。

附图说明

图1为本实用新型环形浮管式水面光伏发电系统的平台单元整体布置图；

图2本实用新型环形浮管式水面光伏发电系统的整体布置图；

图3为浮管与底支架整体布置示意图；

图4为左右平台单元间连接主视图；

图5为前后平台单元间连接主视图；

图6为平台单元间连接俯视图；

图7为平台单元间连接部件俯视图；

图8为前后方向主支架与浮管连接主视图；

图9为左右方向主支架与浮管连接主视图；

图10为主支架与浮管连接俯视图；

图11为副支架与浮管连接主视图；

图12为副支架与浮管连接俯视图；

图13为主支架与浮管连接件细节图；

图14为副支架与浮管连接件细节图；

图15为主支架与副支架间连接示意图；

图16为主支架与副支架间连接件结构图；

图17光伏板前后支撑示意图；

图18为后支撑主视图；

图19为后支撑俯视细节图；

图20为前支撑俯视细节图；

图21为前支撑侧视细节图；

图22为前支撑等轴细节图；

图23为前支撑安装示意图；

图24为前支撑限位件细节图；

图25为走道布置整体图；

图26为走道细节图；

图27为走道限位件细节图。

图中：平台单元1，环形浮管组2，底支架3，主支架31，副支架32，光伏元件支撑组件4，安装槽40，前支撑41，后支撑42，光伏板限位件43，立体限位槽44，限位钢片45，横杆46，压块47，支撑螺杆48，加强筋49，光伏板5，连接件6，限位卡件61，非限位卡件62，限位螺杆63，直角连接件64，减震器7，走道8，走道限位件81。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本实用新型的限制。

如图1、图2所示，本实用新型环形浮管式水面光伏发电系统，包括平台单元1，平台单元1包括环形浮管组2、底支架3、光伏元件支撑组件4、光伏板5和连接件6。

光伏发电系统由若干圆形的平台单元1组成，平台单元1数量由总功率大小决定，平台单元1与平台单元1之间通过减震器7进行连接，如图4、图5所示，每个平台单元1上布置22×4共88块光伏板5，每1/4圆组成一个光伏阵列，每个平台单元1包含4个光伏阵列。图2为四个平台单元1的实施例示意图。本实施例中光伏板5采用横向单排布置。

每个平台单元1中，环形浮管组2由若干个不同曲径的环形浮管同心布置组成。本实施例中环形浮管组2由3圈不同弯曲半径的浮管组成，分别为外浮管、中浮管和内浮管，中浮管弯曲直径为外浮管的2/3，内浮管的弯曲直径为外浮管的1/3，均采用防腐PE材料，每圈浮管的管径相同。为方便运输，每圈环状浮管由若干根短浮管首尾连接而成，环状浮管的截面形状为圆形、方形或者多边形。为防止由于浮管破裂导致浮体支架失去支撑能力，环状浮管中填充发泡剂，发泡剂可以为常见的聚氯乙烯或聚氨酯硬质泡沫，泡沫内部孔洞不连通，泡沫不亲水不易变形，泡沫填充后，浮管端头用管帽进行封堵。

环形浮管组2的最外围浮管环形半径由每个平台单元1上需要布置的光伏板数量及布置形式决定，决定原则为：尽量让所有光伏板5布置到最外围浮管的内部，以确保系统的稳定性。环形浮管组2的内部浮管数量及环形半径由底支架3材料及长度决定，决定原则为：若底支架3为高分子聚乙烯材料，则原则上应将悬空的支架长度控制在2m内；若底支架3为其他刚性防腐材料，如不锈钢、镀锌钢及玻璃钢等，则原则上应将悬空的支架长度控制在6m内。从而保证支架的刚性满足稳定性要求。环形浮管组2的浮管管径由其所支撑的底支架3、光伏板支撑、走道8、浮管自重及相关连接件的总重量决定，决定原则为：环形浮管组2吃水深度为1/2时，应能提供以上总重量1.5倍至2倍的浮力。从而保证在大风浪等动载荷条件下能保证其稳定性。环形浮管组2的每根短浮管之间可采用热熔连接、电热熔连接及卡箍连接，选取原则如下：水域环境较差时宜采用热熔连接及卡箍连接，否则宜采用电热熔连接；管径在400mm以上时，宜采用热熔连接方式及卡箍连接，否则可采用电热熔连接。从而增加浮管之间连接的稳定性及保证其密封性。

如图3、图6、11所示，环形浮管组2的上方布置底支架3，底支架3与环形浮管组2通过连接件6固定，同时互相垂直的支架通过直角连接件64进行连接。底支架3均采用工字钢结构或者C形结构或者其他能与立体限位槽44嵌入配合的结构，本例中通过工字钢结构说明；底支架3的材料为耐腐蚀性材料，包括高分子聚乙烯、不锈钢、镀锌钢及玻璃钢。底支架3分为主支架31和副支架32，主支架31通过稳定连接件连接不同弯曲直径的浮管及支撑副支架32，副支架32一端置于主支架31上，中间及另一端与浮管连接，用于进一步加强不同弯曲直径浮管的连接及支撑光伏板组件。不同长度的副支架32采用平行布置，其平行间隔距离由光伏板5的类型、布置形式等决定。底支架3由正交布置于环形浮管组上方的主支架31和相互平行布置于主支架31之间的副支架32组成。主支架31之间通过直角连接件64进行连接。不同长度水平均匀布置的副支架32通过直角连接件64与主支架31进行连接，副支架32之间的间距为光伏板5的宽度。

如图7～10所示，连接件6包括限位卡件61和非限位卡件62。限位卡件61的底部与环形浮管卡合，并设置限位螺杆63，顶部通过螺杆与主支架31连接；非限位卡件62的底部与环形浮管卡合，顶部通过螺杆与副支架32连接。限位卡件61和非限位卡件62及限位螺杆63均由不锈钢材料制成，限位卡件61左右板之间的距离比环状浮管的管径小1mm～2mm，用于增加连接件6安装的稳定性，连接件6的宽度为底支架3宽度的1.5～2倍，便于安装底支架3，上下高度为管径的1.2～1.5倍，便于限位螺杆63的安装。

如图11、图12、图14所示，副支架32与非限位卡件62不设限位螺杆，以减少螺栓数量，副支架32与中浮管及内浮管均不设连接件，减小安装难度，其余参数与限位卡件61相同。

如图15、图16所示，底支架3间的连接采用不锈钢直角连接件64进行固定并通过螺栓连接，每两根支架间设置左右共两个连接件64。

环形浮管组2、底支架3、连接件6共同组成稳定的浮体平台。底支架3上固定光伏元件支撑组件4，光伏板5安装于光伏元件支撑组件4上。每两排光伏板之间设置一排走道8，用于光伏系统的日常维修维护，每排走道之间通过垂直的走道8进行连通。如图4、图5、图6、图7所示，各个平台单元1直接通过减震器7进行连接，以提高连接的稳定性和可靠性，连接件采用不锈钢减震器7，同时兼顾软连接和硬连接的优点。

如图12～20所示，光伏元件支撑组件4包括前支撑41、后支撑42、光伏板限位件43和横杆46。光伏板后支撑42和光伏板前支撑41均安装于底支架3上，并分别通过一颗螺栓与底支架3固定，后支撑42和前支撑41宽度均与工字钢底支架相同，均采用电镀锌钢材料。前支撑41和后支撑42的底部两侧分别设置有立体限位槽44和螺栓，一侧通过立体限位槽44与底支架3卡合，用以限制前支撑41和后支撑42的上下运动，另一侧通过螺栓与底支架3固定连接。后支撑42设置有用于与光伏板5的底部卡合的安装槽40。安装槽40上下表面均为发电效率最高的最佳倾角，上下表面距离与光伏板5厚度相同。横杆46为角钢，前端嵌入前支撑41，光伏板5的中上部搁置在横杆46上。光伏板限位件43的一端设置于前支撑41上部，另一端设置有限位钢片45，限位钢片45与光伏板5的顶部卡合。光伏板限位件43为镀锌钢材料，上端通过限位钢片45对光伏板5进行限位，可同时适用于右边框和无边框的光伏板5，光伏板限位件43厚度为1-2mm，具有一定几何柔性，以满足不同光伏板5的安装。前支撑41顶部设置有压块47，光伏板限位件43和压块47通过支撑螺杆48固定，前支撑41底部至少设置一个加强筋49，用以加强前支撑的稳定性。

如图25、图26、图27所示，走道8铺设在底支架3的工字钢槽内，材料为玻璃钢，厚度为50mm，根据需要可增加或减小厚度，通过走道限位件81，利用后支撑42的支撑螺杆48对走道进行固定，限制其左右滑动。

光伏元件支撑组件4通过不同的安装方式，可同时适用于不同组件类型的安装。光伏元件支撑组件4中的前支撑42在光伏板5左右安装跨度较大及风浪较大的情况下，还可设置一根横杆46用于支撑和固定光伏板5。光伏元件支撑组件4中的前支撑42应设置在光伏板5中心与上端之间，以提高光伏板5的稳定性。

由于河海水域中水鸟较多，每个平台单元1上均设置一台驱鸟装置，以减轻光伏板清洗工作量及延长光伏板5使用寿命。

光伏系统最外围的平台单元上布置拉簧等锚固装置，防止光伏系统在波浪下的整体漂移；设置挡浪板阻挡外围波浪，以减小光伏系统内部水面的波浪

以上光伏发电系统通过若干平台单元1通过减震器10连接成为大型阵列，阵列外围设置挡浪板以保护内部单元，整个平台下均匀设置拉簧装置，用于限制光伏系统在一定范围内活动。通过对各个组成部分的优化设计，该系统具备浮体获取简单、稳定性优良、连接安装简单、成本低、使用寿命长等优点。

该光伏发电系统具体安装方法如下：

1)在岸边将短浮管首尾相接为外、中、内共3圈环形浮管，组合为环形浮管组2；

2)在环形浮管组2上铺设主支架31，采用限位卡件61与环形浮管组2连接并采用螺栓固定；

3)在环形浮管组2上铺设平行的副支架32，并非限位卡件62与主支架31及环形浮管组2连接固定；

4)在走道8的一侧插入走道限位件81，在底支架3上铺设维修走道8；

5)在底支架3上铺设后支撑42，采用螺栓，利用走道限位件81，同时固定走道8及后支撑42；

6)在底支架3上铺设前支撑41，同时在左右两个前支撑41之间固定横杆46；将光伏板5的后端插入后支撑42的安装槽40、中前端贴合于横杆46上；

7)将光伏板限位件43的后端利用安装孔插入前支撑41的支撑螺杆48上，限位钢片45勾住光伏板5；利用压块47将光伏板限位件43、横杆46、光伏板5压紧，再将用支撑螺杆48拧紧固定；至此完成了一个单元平台的安装；

8)将该单元平台1吊装入水或推入水中，安装人员在走道8上采用减震器10对不同平台单元1进行连接及扩展，即完成了整个系统的安装。

以一个单元平台为计算基础，浮力计算主要过程如下：

选用国标400mm的管径，其外浮管、中浮管、内浮管弯曲直径分别为18m、12m、9m，总管长约为113m，每个平台上布置88块光伏板，经计算浮管可提供浮力约为14198kg，需承受重量为：浮管自重1695kg，钢支架及横杆1150kg，光伏板1760kg，光伏板支撑及其他连接件300kg，安装维修人员360kg，走道420kg，安全系数取1.5，总重量为8527kg。考虑其他动载荷，浮管可满足浮力要求。

经计算，每个单元平台1在安装时仅需约450颗螺栓，平均每块光伏板仅为5.1颗，施工量大大减小。

其它未详细说明的部分均为现有技术，以上所有参数均可通过查阅手册或计算得到。本实用新型并不严格地局限于上述实施例。以上所述仅为本实用新型的特定实施例，并不用于限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换及改进等，都在本实用新型的保护范围之内。