2023漂浮式光伏电站浮体、锚固设计方案

作者：职场人漂浮式光伏电站浮体、锚固设计方案目录19476_WPSOffice_Level11.浮体设计 33339_WPSOffice_Level11..1浮体系统 425418_WPSOffice_Level11..2浮体材料 622261_WPSOffice_Level22.锚固设计 915418_WPSOffice_Level12..1工程概况 1012108_WPSOffice_Level12..2漂浮方阵锚固布置 1014025_WPSOffice_Level2图7.7浮体坐标示意图 1227043_WPSOffice_Level12..3锚的形式 1215104_WPSOffice_Level2图7-8锚块形式 136251_WPSOffice_Level12..4锚固系统数值仿真计算 137866_WPSOffice_Level23.箱变基础设计 211.浮体设计根据当地环保要求不允许采用水上打桩的基础形式，本次光伏发电系统拟采用浮体漂浮系统。本次对采用PHC预制桩基础方案和漂浮式方案进行了详细的静态投资对比，具体详见表7-1。表7-1PHC预制桩基础静态投资估算设备数量单位单价（元）总价（万元）支架总量13824t990013685.8混凝土预制管桩138240根1120（8m桩长）15482.9支架与基础静态投资单位造价0.738元/W（直流容量计算）综上采用PHC预制桩基础的静态投资单位造价为0.738元/W，推荐方案采用漂浮式浮体基础的静态投资单位造价为0.965元/W，漂浮式方案的单位造价要比PHC预制桩基础方案的单位造价要高，但由于环评限制，本项目仍采用漂浮式方案。1..1浮体系统本工程浮体具体技术方案如下：（1）浮体系统技术要求具体如下：1）浮体形式采用组件支撑浮体安装光伏组件，走道浮体将组件支撑浮体相连的形式，浮体与浮体之间采用柔性耳板连接形式。2）单个主浮体最大承重≥120kg，单个过道浮体最大承重≥90kg。正常负重（指单个浮体加1块60片电池片组件，组件重量19kg左右）情况下，组件下边缘距离水面高度不低于170mm。（2）漂浮式浮体方案主要包括的部件有：走道浮体、组件支撑浮体、组件上安装件、组件下安装件、光伏组件及相应规格的不锈钢螺栓、浮体连接件等。（3）浮体形式采用组件支撑浮体安装光伏组件，走道浮体将组件支撑浮体相连的形式。（4）浮体材料为高密度聚乙烯（HDPE），浮体实际最小壁厚不小于2mm。（5）漂浮式浮体方案组件支撑浮体包括连接浮体和支架浮体。支架浮体通过插拔螺栓固定在连接浮体上，可避免组件支撑浮体形状因需满足光伏组件倾角而高度变化造成壁面厚度不均的状况；浮体高度均匀保证浮体加工易成型，易满足壁厚控制要求，保证了浮体的生产质量和生产效率。（6）漂浮式浮体方案采用组件支撑浮体与走道浮体耦合连接的方式，将组件支撑浮体两端分别搭接在走道浮体上，形成的发电系统局部刚度较强，可保证发电系统受力时组件支撑浮体形变小，对组件影响较小；走道浮体之间采用耳板连接，柔性较大，可将发电系统所受外力及时释放，避免对发电系统造成破坏。（7）漂浮式浮体方案利用现有安装孔将光伏组件与上、下安装件连接后，固定安装在浮体上，安装件形式简单，固定牢靠。安装件为铝合金材料，使用标准不锈钢螺栓锁紧。铝合金安装件开孔位置与光伏组件开孔位置保持一致。（8）浮体耳板连接采用HDPE紧固栓进行连接，与浮体材质相同。图7-1示范项目整体图1..2浮体材料1）浮体主体材料为高密度聚乙烯（HDPE），高密度聚乙烯采用国内或国际上知名大公司品牌，原材料符合国家及国家对高密度聚乙烯材料制定的相关规范要求。2）浮体材料技术指标如下：表7-1材料基础性能物理性能性能项目测试方法试验条件单位性能密度ASTMD-1505-1023℃g/cm30.9456拉伸断裂延伸率GB/T104023C%246拉伸断裂强度GB/T104023℃，5mm/minMPa26.7断裂屈服强度GB/T104023℃，5mm/minMPa26.6缺口冲击强度GB/T1043.1-200823℃KJ/㎡88抗拉弹性模量GB/T1040.1-200623℃，5mm/minMPa904弯曲模量GB/T9341-200823℃，2mm/minMPa1053吸水率(%)GB/T1034-2008%0.0097冲击脆性温度GB/T5470-2008℃-60℃未冲断邵氏硬度ShoreD69卫生性能卫生要求GBT17219-1998满足《生活饮用水输配水设备及防护材料安全性评价标准》析出物分析GB/T5009.60-2003脱色试验阴性，合格；重金属小于1，合格；高锰酸钾0.6，合格阻燃性能阻燃等级UL94-2015HB级耐化学性能耐液体化学溶剂（5%盐酸，甲苯，IRM903矿物油、乙醇，饱和NAOH）55℃×168hGB/T11547-200855℃，168h拉伸强度，冲击强度,断裂延伸率的保持率>80%3）材料抗UV紫外老化性能依据国标《GB/T16422.3-2014》和《GB/T1040.2-2006》，我司委托化学工业合成材料老化质量监督检验中心进行了荧光紫外灯老化及拉伸性能检测，检测结果显示样品没有明显的老化迹象，包括裂纹或破裂。荧光紫外老化3000h测试后样品的拉伸强度保持率大于100%，断裂伸长率保持率大于60%。4）浮体封气口浮体内部充入0.1MPa大气压，封闭阀门30min，气压下降小于133Pa。封气口具备透气和防水性能，在浮体内外气压变化时平衡内外气压，浸入水中不漏水。封气口采用HDPE材质，与浮体主体材质一致。浮体封气盖缠绕白色生料带填充螺纹牙与牙之间的缝隙，并安装橡胶圈等密封件阻止气流、水等进入浮体。5）连接件、支撑件材质选择浮体耳板连接件采用HDPE材质，与浮筒主体材质相同；光伏组件连接件采用铝合金材质。1..3浮体性能1）浮体外观尺寸、壁厚及重量：表7-2浮体外观性能项目要求颜色无明显色差气泡肉眼观察不到黑点/异色点个数个数极少，每100c㎡表面小于5黑点直径小于0.5mm最大长度mm无穿透状杂质塑化不良无裂缝空洞无变形变形极小，不影响外观使用油污无合模线飞边切除光滑，封气口部飞边除净，无划伤插划痕插痕轻微，面积极小，远小于表面积5%无明显划痕浮体尺寸偏差（长、宽、高）小于5mm，安装孔的直径偏差小于1mm，安装孔的孔距偏差小于1mm，实际最小壁厚大于2mm。主浮体、连接浮体、支架浮体及连接螺栓的重量偏差均小于5%。2）浮体浮力性能测试主浮体最大浮力大于120kg，走道浮体最大浮力大于90kg。负重1块60片电池片组件情况下，组件下边缘距离水面高度大于170mm。3）浮体气密性测试浮体内部充入0.1MPa大气压，封闭阀门30min，气压下降小于133Pa。4）浮体跌落试验参照《聚乙烯吹塑容器》（GB/T13508-2011）规定要求进行试验，主浮体装水，离地高度1m，测试后主浮体无破损，气密性良好，无漏液。5）浮体表面落锤试验将25kg钢球从2m高的高空落到主浮体表面，测试过后，主浮体表面无裂缝，气密性合格。6）对边、对角及浮筒间螺栓螺母连接强度测试浮筒施加2500N的对角拉力或对边拉力时，浮筒结构无塑性变形。对角拉力试验，破坏负荷（拉断）大于9000N，对边拉力试验，破坏负荷（拉断）大于12000N。浮筒间螺栓螺母连接强度大于10000N。7）耐环境应力开裂性能测试按照《聚乙烯环境应力开裂试验方法》（GB/T1842-2008）中规定要求，试验正在进行中。8）冲击脆化温度测试 按照《塑料冲击法脆化温度的测定》（GBT5470-2008）中规定要求，采用通过法，试验温度-60℃，试样未冲断。9）耐热老化温度测试按《塑料热老化试验方法》（GBT7141-2008）中规定要求，试验已完成，试验后拉伸强度，冲击强度,断裂延伸率的保持率>80%。10）材料阻燃性能测试按照《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》（GB/T2408-2008）规定要求，水平燃烧等级达到HB级。11）高温高湿DH1500h老化测试试验正在进行中。12）浮体环保测试按照《食品包装聚乙烯成型品卫生标准》（GB/T9687-1988）及《ROHS测试》（IEC62321：2008标准）相关规定对浮体进行检测，脱色试验阴性，重金属小于1，析出物含量合格，对周边水体及环境无毒无害，满足《生活饮用水输配水设备及防护材料安全性评价标准》。13）浮筒弯折疲劳测试对浮筒加载不低于900N的剪切力，进行10万次动载往复循环管测试。试验后浮筒保持完整，气密性测试结果合格。2.锚固设计2..1工程概况本工程水深1.5－3米,河道宽约240m-460m，方阵布置在河道中间区域。本报告根据组件布置，提出了针对性的锚固设计方案。2..2漂浮方阵锚固布置根据总体布置设计，设置运维通道的锚固单元锚固示意图如下所示。图7-6锚固系统示意图一个标准方阵分为2个子单元，中间由运维通道分开。整个方阵共4个南北方向侧边，每一侧边共布置20个锚块，平均每隔5个走道浮体的间距设置一个锚固点。侧边两端各布置5根垂直于阵列的直拉锚绳，中间布置10根77°内八方向锚绳。位于运维通道上的南北方向侧边，正面相对的两根锚绳错开一个走道浮体布置，锚块位于对面阵列下方。南北方向锚绳一端连接于锚块上，另一端连接走道浮体上表面架设的特制钢架结构上。3.91248MW东西方向单侧分别布置6个锚块，平均每隔10组浮体单元布置一个锚固点，锚绳方向为45°内八布置；东西方向锚绳一端连接于锚块上，另一端连接于走道浮体侧边耳板的短角钢上。3.91248MW锚固单元四角位置采用圆弧分散原则，均匀布置3个锚块。锚固单元运维通道东西方向边角位置，布置2个77°内八锚绳。垂直风向时，阵列南北方向的迎风面积大于东西方向，南北方向风载荷大于东西方向，故南北方向锚固布置比东西方向较密。靠河岸边锚块在最低水位时距离水边线为2m，防止阵列低水位搁浅。锚绳与浮体之间采用加强钢结构进行连接，锚绳选择钢绞线1×7-9.5-1720，该型号钢绞线最大抗拉强度为1720MPa，大于锚固设计极限应力，满足设计要求。锚绳型号选择1×7-9.5-1720，浮体上备用锚绳长10m，锚绳余量1m。在此余量情况下，阵列与阵列及阵列与箱变平台均不会发生碰撞。锚块与阵列间的距离约为11.4m，相邻较近的单元锚块可错开布置，每个钢筋混凝土锚块约为1.2t，采用改进蛙锚形式。通过对水体流场假定及坐标定义、分布源积分方程的建立和求解、最终通过运动微分方程对风浪入射角分别为0°、45°、90°三个方向进行计算，浮体水动力模型整体坐标系定义如图7.7所示，计算出在不同工况下锚索的最不利受力状态，最终确定锚索型号。图7.7浮体坐标示意图在极限情况下，通过计算分析并与规范进行比对，钢结构、钢绞线及耳板均不超过容许最大受力，满足强度要求。2..3锚的形式常用的锚主要有：重力式锚、埋入式锚和桩锚。当水上浮体离岸边较近时，锚绳多采用岸边固定的方式，一般采用桩式锚；当水面漂浮式发电系统离岸边较远时，可根据实际情况采用桩锚、重力式锚或埋入式锚。重力式锚由实心钢块或混凝土块体组成，这种块体也被称为“锚定块”或“沉砣”。这种锚仅依靠其自身重量及其与海底之间的摩擦产生锚固力。锚固效率较低，材料费及安装费用较高。埋入式锚在荷载作用下戳入水底土层，在锚爪前面形成一楔形土体以产生锚固力。埋入式锚一般由专业生产厂家制造，常见的埋入式锚包括：蛙锚、勾状锚、无杆锚、大抓力锚等。与重力式锚相比，埋入式锚锚固效率高，造价相对低廉。需要注意的是，当锚绳有上拔力存在时，应注意验算其稳定性，避免破坏锚爪前土体，影响其锚固稳定。桩锚属于长期的锚固方式，适用于有上拔力的情况。主要用于安装水域较浅，水底地质条件相对较好的土质地基，一般多采用预制管桩。该方案施工速度快，单个锚点锚固力大，可靠性较高，缺点是适用范围有限，造价相对较高。根据布置，本方案岸边拟采用桩锚，桩基形式可根据情况采用预应力管桩或灌注桩。水中锚固采用我司经反复设计、模拟、试验，设计出如下图锚块。图7-8锚块形式该锚块设计的主要优点是充分利用其形状特点，在锚绳拉紧的时候，锚块可以充分抓紧水底淤泥，系泊力越大，锚块陷入淤泥越深，从而提供远大于实际计算的摩擦力与吸附力。2..4锚固系统数值仿真计算2..4.1有限元模型锚固系统数值仿真计算主要校核波浪载荷及风载荷下浮体的局部强度。考虑到实际光伏浮体结构复杂，计算时将下浮体进行适当简化处理。其中，水动力模型只考虑外壳，不考虑内部结构。水动力计算模型如图7.9，结构模型如图7.10所示。风浪作用于浮体时，模型尺度等于0.5波长且风压与浮体中垂组合为危险状态，对最危险工况下的模型进行校核。初步选取模型典型结构单元宽度为8.7m，极限工况下对应波长为11.m。图7.9水动力模型图7.10结构模型2..4.2载荷计算及工况（1）风载荷计算中国目前对光伏结构风载荷取值尚未有适用的设计规范，设计时主要参考建筑结构设计的相关规范及国外的相关设计方法。参考中国现有《建筑结构载荷规范-2012》，按计算主体结构的设计方法进行计算，根据相应体型系数确定风压，风载荷标准按下式计算：式中：βz为Z高度处的风振系数;μz为风压高度变化系数，取1.09;μs为风载荷体型系数，取0.5;W0为基本风压值；其中，基本风压值按下式计算：W0=1/2ρV2，V为基准高度位置的平均风速；根据当地气象资料，本工程场址多年平均风速为2.3m/s，因此光伏浮体作业工况时设计风速取2.3m/s。为适当留有余量，本报告设计风速按照5m/s进行复核计算。（2）波浪载荷计算考虑风浪作用于浮体最危险时情况为模型尺度等于0.5倍波长，且风压与浮体中垂组合为最危险状态。根据深水波公式，模型宽度为8.7m，对应波长为11.m、频率为0.3Hz的波浪时最危险；具体深水波公式如下所示：其中，h为水深，λ为波长，T为周期，g为重力加速度。综合考虑以上情况，确定极限工况时模型波浪频率0.3Hz，波高0.5m，浪向取0度，45度，90度，并且在水动力计算中可以得到0度、45度、90度对应相位角分别在173.4度、172.5度、173.4度为中垂状态。其中，浮体水动力模型整体坐标系定义为：X方向为浮体的长度方向，Y方向为浮体的宽度方向，Z方向为浮体的高度方向；风、浪、流入射方向与X轴正方向之间的夹角定义为入射角，逆时针方向为正；0°表示X轴正方向与波浪传播方向一致。（3）计算分析工况光伏浮体局部强度计算中，在其最危险工况下进行局部强度校核。根据内陆湖泊实际风浪情况，确定光伏浮体最危险的典型区域如图7.11所示，在结构强度计算时，分别对三种区域采用不同边界条件。图7.11典型危险区域不同区域结构模型边界设置如下：①号区域A、D端耳板处限制x，y方向位移，B、C端耳板及与支撑浮体接触面刚性固定；②号区域D端耳板处限制x，y方向位移，A、B、C端耳板及与支撑浮体接触面刚性固定；③号区域四周刚性固定。具体模型边界布置如图7.10所示。根据三种区域边界的实际情况，分别对三种区域在风浪方向为0度、45度和90度进行局部强度校核，其工况如表7-3、表7-4、表7-5所示。表7-3①号区域危险工况编号波浪频率（Hz）波高（m）波浪方向(度)相位角（度）风速(m/s)10.30.50173.4520.30.545172.5530.30.590173.45表7-4②号区域危险工况编号波浪频率（Hz）波高（m）波浪方向(度)相位角（度）风速(m/s)10.30.50173.4520.30.50172.5530.30.50173.45表7-5③号区域危险工况编号波浪频率（Hz）波高（m）波浪方向(度)相位角（度）风速(m/s)10.30.50173.4520.30.50172.5530.30.50173.452..4.3光伏浮体局部强度计算结果分析计算结果表明：最大应力集中在连接部位，②、③区域结构应力水平未超过材料屈服应力，因此②、③区域的连接部位结构是满足强度要求的。对于①号区域模型，当风浪0度方向时，由于风压很小，波浪载荷作用占主导，连接部位处结构应力小于15MPa，当风浪为45度和90度方向时，风压和波浪载荷同时作用，在波浪作用下使浮体发生中垂时，应力应变分别达到最大，但均未超过材料屈服应力，其最大应力集中在连接部位的开孔处。图7.12②号区域工况1应力云图图7.13②号区域工况2应力云图图7.13②号区域工况3应力云图2..4.4光伏浮体阵列锚固力计算结果分析针对图7.14所示的典型浮体阵列形式，对其系泊缆绳强度进行分析校核，计算了0、45、90度风浪工况下缆绳受力情况。图7.14阵列系泊点布置计算得到的0、45、90度风浪工况下7×7典型光伏阵列缆绳受力统计结果如下表7-6所示。表7-67×7光伏阵列锚固力计算结果风浪载荷方向端部缆绳张力（t）中间缆绳张力（t）边角缆绳张力(t)0度13.022.554.5345度10.842.465.2790度11.624