高寒地区适用的浮体多功能集成式水面光伏支撑系统的制作方法

本发明涉及光伏技术领域，具体涉及高寒地区适用的浮体多功能集成式水面光伏支撑系统。

背景技术：

太阳能具有资源丰富、分布广泛、可再生、无污染等优点，是人类理想的清洁能源，对构建低碳社会做出了重要贡献，在长期的能源战略中具有重要地位。近年来光伏发电市场发展十分迅猛，但土地资源的限制因素却愈发显著，已经成为陆地光伏电站大力建设的瓶颈。而水面漂浮式电站作为一种新型光伏电站形式，利用某种浮体支撑结构将光伏组件漂浮在水面上进行发电，大量节省土地资源的同时，还具备减少水量蒸发、抑制藻类繁殖、提高发电效率、有效地对组件和电缆进行冷却等优点。我国水资源丰富，湖泊、水库众多，漂浮式水面光伏的建设是对资源的优化利用、可以拓宽光伏应用，近年来得到了很大的关注和大力的发展。

目前国内外常见的浮体支撑平台主要包括两种型式：全浮体型式和浮体加支架型式。全浮体型式每块组件下部由一个主浮体提供浮力，主浮体再与提供运维通道的走道浮体相连接。组件支撑部件可以做成与主浮体一体化的型式，如cn201520668888.6、cn201520668888.6、cn201520606080.5和cn201620388933.7等专利公开的一体式组件支撑型式；或如cn201630171653.6、cn201720377962.8和cn201720527013.3等专利公开的利用固定在主浮体上的单独支架来支撑组件。虽然这些设计在已有工程中已经有了较为广泛的应用，但也有优化的空间。比如该设计需要布置大量的走道浮体，存在着浮力冗余，用料和成本上有进一步优化的空间；此外，虽然大多数全浮体设计中其主浮体均留出孔洞以节省用料和增加水面暴露面积以降温组件温度、提高发电效率，但毕竟还存在剩余遮挡，不能最大程度地散热。

浮体加支架型式所使用的浮体数量明显少于全浮体型式，散热效果更好，也具有大规模工程应用的案例，但现有设计中也有待进一步优化之处。例如cn206878752u和cn206490638u专利中，浮体仅能提供浮力、功能单一，运维走道需额外布置，增加成本；或如cn206734572u和cn206226353u专利中浮体采用玻璃纤维布包裹泡沫材料的型式，由于非焊接仅包裹，浮体不防水不密封，泡沫长时间浸泡易进入水中污染水体，环保性差。此外，目前设计中底梁多使用标准型截面(例如槽钢或方钢截面)，对于可挤压成型的型材，比如铝合金或玻璃钢，使用标准型截面不能实现轻质量、大刚度的目的。再者，目前组件立柱的设计中还未有力传导设计。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了高寒地区适用的浮体多功能集成式水面光伏支撑系统，具有浮体多功能集成、密封性好、不污染水体、底梁大刚度轻质量、组件立柱力传导合理、抱箍紧固和组件多维限位的优点。

本发明采用的技术方案是：一种高寒地区适用的浮体多功能集成式水面光伏支撑系统，包括多个横向平行设置的浮体支撑、固定设置在浮体支撑上的支架支撑和固定设置在支架支撑上的用于安装光伏组件的组件支撑，其特征在于：所述支架支撑采用多根横梁和多根纵梁垂直交叉固定连接而成，每个所述浮体支撑均包括浮体单元，所述浮体单元为中空结构，内部填充轻质低吸水率材料；所述浮体单元上设有供运维人员通过的走道，所述浮体单元与纵梁固定连接，充当横向底梁和保护纵梁。

作为优选，所述浮体支撑通过抱箍结构与支架支撑固定连接在一起。

进一步的，所述浮体单元横截面形状为半圆、圆、梯形、正方形或矩形，所述浮体单元两端均设有封头，所述封头上部延伸形成浮体挡板，所述浮体单元周向压制浮体内嵌或外凸纹。

更进一步的，所述抱箍结构包括抱箍条、抱箍限位钢和橡胶垫片，所述浮体单元与纵梁通过抱箍条、抱箍限位钢和橡胶垫片固定连接在一起，所述抱箍条设置在浮体内嵌或外凸纹处，所述橡胶垫片设置在浮体单元和纵梁之间，防止不同金属间的电化学腐蚀。

作为优选，所述横梁和纵梁的截面形状均为矩形或方形，内部沿长度方向设有两条纵向加强肋。

作为优选，所述组件支撑包括前立柱和后立柱，光伏组件通过组件固定结构安装在前立柱和后立柱上，所述组件固定结构包括边缘组件固定结构和中间组件固定结构，所述边缘组件固定结构仅固定一块光伏组件，所述中间组件固定结构固定相邻的两块光伏组件。

进一步的，所述边缘组件固定结构包括安装垫片和边压块，所述中间组件固定结构包括安装垫片和中压块。

更进一步的，所述前立柱设置有前立柱安装垫片限位挡板，前立柱安装垫片限位挡板紧贴安装垫片前后两侧并限制其活动，实现限位的功能；所述前立柱设置有前立柱螺栓裕量保障斜板，所述前立柱螺栓裕量保障斜板的倾斜角度和螺栓安装的倾斜角度一致，且长度大于螺栓长度，保证螺栓能顺利放入前立柱内部并顺利完成安装；所述前立柱设置有前立柱折叠加强肋板，保证前立柱在极限风雪下的结构安全。

更进一步的，所述后立柱设置有后立柱安装垫片限位挡板，后立柱安装垫片限位挡板紧贴安装垫片前后两侧并限制其活动，实现限位的功能；所述后立柱设置有后立柱螺栓裕量保障斜板，所述后立柱螺栓裕量保障斜板的倾斜角度和螺栓安装的倾斜角度一致，且长度大于螺栓长度，保证螺栓能顺利放入后立柱内部并顺利完成安装；所述后立柱设置有后立柱折叠加强肋板，保证后立柱在极限风雪下的结构安全。

作为优选，所述纵梁上固定设有组件限位件，所述光伏组件底部抵靠在组件限位件上。

本发明取得的有益效果是：本发明的浮体支撑同时集成了四种功能：即提供浮力、提供走道、充当横向底梁和保护纵梁。浮体支撑除能提供浮力外，还能提供走道功能；浮体支撑的浮体单元与纵梁连接，同时充当了横向底梁的作用，增强已有横梁的连接作用，加强阵列单元的整体性；由于浮体惯性矩远大于纵梁惯性矩，浮体支撑与纵梁连接，纵梁上的载荷可通过浮体单元传导给其他纵梁共同分担，实现梁载荷平均化，从而保护底梁，增加结构安全性、降低成本。浮体单元周向压制内嵌或外凸纹，对抱箍条起到限位的作用，同时起到加强筋的作用。纵梁和横梁采用特殊设计截面，在方钢的基础上增加两条纵向的加强肋，具备少增加梁重量的情况下增加梁惯性矩、从而提高梁刚度的功能，该梁截面设计还方便从上下方向和左右方向打螺栓孔，为安装提供便利性。

附图说明

图1-2为本发明的结构示意图；

图3为浮体支撑结构示意图；

图4为抱箍结构示意图；

图5为抱箍条结构示意图；

图6为抱箍限位钢结构示意图；

图7为橡胶垫片结构示意图；

图8为支架支撑结构示意图；

图9为横梁和纵梁截面示意图；

图10为纵梁、浮体支撑和抱箍结构的连接示意图；

图11为纵梁和横梁的连接示意图；

图12为一排四个组件支撑结构示意图；

图13为组件支撑与光伏组件的连接示意图；

图14为组件支撑与边缘组件固定结构的结构示意图；

图15为组件支撑与中间组件固定结构的结构示意图；

图16为中压块结构示意图；

图17为安装垫片结构示意图；

图18为前立柱结构示意图；

图19为后立柱结构示意图；

图20为组件限位件结构示意图。

附图标记：浮体支撑1、浮体单元1.1、浮体内嵌或外凸纹1.2、浮体挡板1.3、抱箍固定结构2、抱箍条2.1、抱箍限位钢2.2、橡胶垫片2.3、抱箍条螺栓孔2.11、抱箍限位钢螺栓孔2.21、橡胶垫片螺栓孔2.31、支架支撑结构3、纵梁3.1、纵向加强肋3.11、纵梁第一螺栓孔3.12、纵梁第二螺栓孔3.13、纵梁第三螺栓孔3.14、纵梁第四螺栓孔3.15、横梁3.2、横梁第一螺栓孔3.21、组件支撑4、前立柱4.1、前立柱第一螺栓孔4.11、前立柱第二螺栓孔4.12、前立柱安装垫片限位挡板4.13、前立柱螺栓裕量保障斜板4.14、前立柱折叠加强肋板4.15、后立柱4.2、后立柱第一螺栓孔4.21、后立柱第二螺栓孔4.22、后立柱安装垫片限位挡板4.23、后立柱螺栓裕量保障斜板4.24、后立柱折叠加强肋板4.25、组件固定结构5、安装垫片5.1、安装垫片螺栓孔5.11、组件限位挡板5.12、边压块5.2、边压块螺栓孔5.21、中压块5.3、中压块螺栓孔5.31、组件限位件6、组件限位钢螺栓孔6.1、组件限位挡板6.2、光伏组件7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示，本发明的一种高寒地区适用的浮体多功能集成式水面光伏支撑系统，包括多个横向平行设置的浮体支撑1、固定设置在浮体支撑1上的支架支撑3和固定设置在支架支撑3上的用于安装光伏光伏组件7的组件支撑4，同时集成了四种功能：即提供浮力、提供走道、充当横向底梁和保护纵向底梁。浮体支撑1除提供浮力外，本身就可为运维人员提供走道，而不用额外布置运维通道；浮体支撑1与支架支撑3的纵梁3.1连接，同时充当了横向底梁的作用，增强已有横梁3.2的连接作用，加强阵列单元的整体性；且由于浮体惯性矩远大于纵梁3.1惯性矩，浮体支撑1与纵梁3.1连接，纵梁3.1上的载荷可通过浮体支撑1传导给其他纵梁3.1共同分担，从而保护了底梁，增加结构安全性、降低成本。

本实施例为半弧面多功能集成式水面光伏浮式支撑系统阵列单元，该阵列单元采用一个4×2、两排四列的组件布置方式，也可以是其他数目的组件排布方式。组件布置方式包括三个浮体支撑1、十五个抱箍固定结构2、一个支架支撑3、十套组件支撑4、十套组件固定结构5、十个组件限位件6和八个光伏光伏组件7。浮体支撑1通过抱箍固定结构2固定在支架支撑3上，组件支撑4设置在支架支撑3上，光伏光伏组件7通过组件固定结构5固定在组件支撑4上，通过组件限位件6实现对光伏光伏组件7下滑的限制。

如图3所示，浮体支撑1包括浮体单元1.1、浮体内嵌或外凸纹1.2及挡板1.3。浮体单元1.1横截面形状为半圆、圆、梯形、正方形或矩形。外层材料为不锈钢、镀锌碳钢、铝合金或玻璃钢，内部填充高强度泡沫塑料。浮体单元1.1两端封头为半圆、圆、梯形、正方形或矩形，上部适当延伸形成浮体挡板1.3，防止抱箍条2.1侧向脱离浮体单元1.1。浮体单元1.1周向压制浮体内嵌或外凸纹1.2，对抱箍条2.1起到限位的作用，同时起到加强筋的作用。

如图4所示，抱箍固定结构2包括抱箍条2.1、抱箍限位钢2.2及橡胶垫片2.3构成。抱箍条2.1和抱箍限位钢2.2材料为不锈钢、镀锌碳钢、铝合金或玻璃钢，且与浮体单元1.1外层材料为同一金属材料，确保浮体支撑1与抱箍固定结构2的热胀冷缩情况一致，防止抱箍固定结构2因为热胀冷缩而发生相对松弛；橡胶垫片2.3设置在浮体支撑1与支架支撑3之间，防止不同金属间的电化学腐蚀；抱箍限位钢2.2为角钢或方钢型式。如图5所示，抱箍条2.1上开设有螺栓孔2.11，如图6所示，抱箍限位钢2.2上开设有螺栓孔2.21，如图7所示，橡胶垫片2.3上开设有螺栓孔2.31，如图10所示，安装时利用一颗螺栓穿过螺栓孔2.11、2.21、2.31，将抱箍条2.1、抱箍限位钢2.2、橡胶垫片2.3以及浮体支撑1一起固定在纵梁3.1上。

如图8所示，支架支撑3由五根纵梁3.1和两根横梁3.2垂直交叉连接而成，如图11所示，纵梁3.1和横梁3.2之间利用螺栓连接。纵梁3.1和横梁3.2采用相同材料，可为铝合金、镀锌碳钢、不锈钢或玻璃钢。纵梁3.1和横梁3.2采用图9所示的特殊设计截面(横梁和纵梁的截面形状均为矩形或方形，内部沿长度方向设有两条加强肋)，即在方钢的基础上增加两条纵向加强肋3.11，可实现少增加梁重量的情况下尽可能增加梁惯性矩的目的，从而提高梁刚度和结构安全性，降低梁成本。本发明的纵梁3.1和横梁3.2的梁截面设计还方便从上下方向和左右方向打螺栓孔，安装施工方便。

如图12所示为一排四个组件的支撑固定结构示意图，由五套组件支撑4和五套组件固定结构5构成，一套组件支撑4由一个前立柱4.1和一个后立柱4.2构成。五套组件固定结构5中包含两套边缘组件固定结构和三套中间组件固定结构。图13所示边缘组件固定支撑结构仅支撑固定一块光伏光伏组件7；中间组件固定支撑结构支撑固定相邻的两块光伏光伏组件7。

如图14所示，一套边缘组件固定结构由两个安装垫片5.1和两个边压块5.2构成，如图15所示，一套中间组件固定结构由两个安装垫片5.1和两个中压块5.3构成。结合图16所示，前立柱4.1开设的螺栓孔4.11、后立柱4.2开设的螺栓孔4.21、安装垫片5.1开设的螺栓孔5.11、边压块5.2开设的螺栓孔5.21以及中压块5.3开设的螺栓孔5.31为统一型号，安装时用一颗螺栓将前立柱4.1(后立柱4.2)、安装垫片5.1、光伏光伏组件7和边压块5.2(中压块5.3)固定在一起。前立柱4.1、后立柱4.2、安装垫片5.1、边压块5.2以及中压块5.3材料可为铝合金、玻璃钢、镀锌碳钢或不锈钢。

如图17所示，安装垫片5.1设计有组件限位挡板5.12，光伏光伏组件7放在安装垫片5.1上时，组件限位挡板5.12紧贴组件铝合金边框并限制其左右活动，实现限位的功能。

如图18所示，前立柱4.1设置有前立柱安装垫片限位挡板4.13，安装垫片5.1安装在前立柱4.1上时，前立柱安装垫片限位挡板4.13紧贴安装垫片5.1前后两侧并限制其活动，实现限位的功能。前立柱4.1设置有前立柱螺栓裕量保障斜板4.14，其倾斜角度和螺栓安装的倾斜角度一致，且长度大于螺栓长度，保证螺栓能顺利放入前立柱4.1内部并顺利完成安装。前立柱4.1设置有前立柱折叠加强肋板4.15，保证前立柱4.1在极限风雪下的结构安全。

如图19所示，后立柱4.2设置有后立柱安装垫片限位挡板4.23，安装垫片5.1安装在后立柱4.2上时，后立柱安装垫片限位挡板4.23紧贴安装垫片5.1前后两侧并限制其活动，实现限位的功能。后立柱4.2设置有后立柱螺栓裕量保障斜板4.24，其倾斜角度和螺栓安装的倾斜角度一致，且长度大于螺栓长度，保证螺栓能顺利放入后立柱4.2内部并顺利完成安装。后立柱4.2设置有后立柱折叠加强肋板4.25，将上部载荷进行有效传递，防止应力集中，保证后立柱4.2在极限风雪下的结构安全。

组件立柱在25年一遇极限风雪压下的应力和变形实验：最大应力为64.1mpa，满足常规铝合金型号6063-t590mpa的强度要求，最大变形为0.257mm，相对变形0.28％，满足柱顶1/300变形挠度的要求，因此，本发明中组件立柱的设计合理、结构安全。

如图20所示，组件限位件6可为角钢或方钢，开设有螺栓孔6.1，利用螺栓与纵梁3.1固定在一起，设置有组件限位挡板6.2，可限制光伏光伏组件7向下滑动，实现组件限位的功能。

本发明的支撑系统阵列单元组装方法：

1)将抱箍条2.1卡入浮体内嵌或外凸纹1.2，实现对抱箍条2.1的限位；在浮体单元1.1上表面、浮体内嵌或外凸纹1.2对应的正上方放置橡胶垫片2.3；将抱箍限位钢2.2放置于抱箍条2.1与橡胶垫片2.3之间，对齐螺栓孔2.11、2.21和2.31，利用螺栓将抱箍固定结构2与浮体支撑1固定在一起，完成抱箍固定结构2与浮体支撑1的固定连接。

2)将纵梁3.1上开设的螺栓孔3.12与抱箍固定结构2中的螺栓孔2.11、2.21和2.31对齐，利用一颗螺栓将浮体支撑1、抱箍固定结构2和纵梁3.1固定在一起，完成浮体支撑1、抱箍固定结构2和纵梁3.1之间的固定连接。

3)将纵梁3.1的螺栓孔3.13和横梁3.2的螺栓孔3.21对齐，利用螺栓将纵梁3.1和横梁3.2固定连接在一起。

4)将前立柱4.1开设的螺栓孔4.12与纵梁3.1的螺栓孔3.14对齐，利用螺栓将前立柱4.1与纵梁3.1固定连接在一起。

5)将后立柱4.2开设的螺栓孔4.22与纵梁3.1的螺栓孔3.15对齐，利用螺栓将后立柱4.2与纵梁3.1固定连接在一起。

6)将安装垫片5.1放在前后立柱顶部并利用前立柱安装垫片限位挡板4.13和后立柱安装垫片限位挡板4.23对安装垫片5.1进行限位；将光伏组件7放在安装垫片5.2上并利用组件限位挡板5.12对光伏组件7进行限位；将边压块5.2或中压块5.3压在光伏组件7上沿；将螺栓孔4.11、5.11和5.21对齐、将螺栓孔4.21、5.11和5.21对齐，利用螺栓将光伏组件7与边缘组件支撑固定结构连接固定在一起；将螺栓孔4.11、5.11和5.31对齐、将螺栓孔4.21、5.11和5.31对齐，利用螺栓将光伏组件7与中间组件支撑固定结构连接固定在一起。

7)将组件限位件6开设的螺栓孔6.1与纵梁3.1开设的螺栓孔3.12对齐，利用螺栓将组件限位件6与纵梁3.1连接固定在一起，形成发电阵列单元。

浮力计算：

本实施例采用功率305wp，尺寸为1650mm×991mm的组件，以8块光伏组件为一个单元计算其承载能力如下：

水面光伏发电系统总承重：

光伏组件：20kg/块×8＝160kg；

前立柱：0.136kg/个×10＝1.36kg；

后立柱：0.309kg/个×10＝3.09kg；

边压块：0.032kg/个×8＝0.256kg；

中压块：0.043kg/个×12＝0.516kg；

安装垫片：0.045kg/个×20＝0.9kg；

横梁：0.747kg/m×4.5m/根×2＝6.723kg；

纵梁：0.747kg/m×5.7m/根×5＝21.29kg；

组件限位件：0.089kg/个×10＝0.89kg；

浮体单元：27kg/个×3＝81kg；

抱箍条：0.235kg/个×15＝3.525kg；

抱箍限位钢：0.059kg/个×30＝1.77kg；

总自重为：281.32kg；

安装检修人员：80kg/人×4＝320kg；

运维工况总重量为：281.32kg+320kg＝601.32kg。

考虑25年一遇的风压雪压，向下的风压为：341.26kg；

雪压为：490.52kg。

依据《建筑地基基础设计规范》，极限工况总重量为：281.32kg+490.52kg＝771.84kg。

浮体提供的浮力：

根据浮力计算公式，浮体可提供浮力为329.2kg/个，能够提供的总浮力为329.2.2kg/个×3＝987.6kg＞601.32kg和771.84kg，即总浮力＞总重力，浮力满足要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。