本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地指水面漂浮式光伏電站設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模的光伏電站多分布在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的青海、新疆、內(nèi)蒙古等地，而作為負(fù)荷中心的城市周邊用地緊張，除了廠房屋頂可建設(shè)分布式光伏電站之外，城市周邊水庫的大面積水面也成了光伏電站的可用場地。我國水資源豐富，湖泊、水庫眾多，發(fā)展水面光伏電站具有不占用土地、避免采煤沉陷區(qū)不均勻沉降、減少水量蒸發(fā)等優(yōu)勢，可以拓寬光伏應(yīng)用。水庫通風(fēng)好，水蒸氣能帶走光伏組件的部分熱量，提高發(fā)電效率，同時光伏組件又能給水庫遮陽，對水產(chǎn)養(yǎng)殖有輔助作用，另外，光伏組件還可以減少水面的蒸發(fā)，解決平原地區(qū)水庫蒸發(fā)量過大的問題。

水面漂浮式光伏電站布置于水面上，其特殊的位置環(huán)境的對光伏電站的部件的設(shè)計和布置方式有著諸多的要求，其布置方式對光伏電站的發(fā)電效率具有很大的影響。目前，尚未提出全面的對水面漂浮式光伏電站的設(shè)計方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有背景技術(shù)的不足之處，提出一種水面漂浮式光伏電站設(shè)計方法，綜合考慮光伏陣列、逆變器、箱式變壓器等部件的布置形式、光伏組件的最佳傾角、浮體的設(shè)計方法，以達(dá)到發(fā)電效率最高的技術(shù)效果。

本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到的：水面漂浮式光伏電站設(shè)計方法，其特殊之處在于，其特征在于，包括如下步驟：

(1)設(shè)計光伏電站的布置形式，確定光伏陣列、逆變器、箱式變壓器的相對位置；

(2)計算光伏組件的傾角，綜合考慮發(fā)電量和光伏組件布置的限定條件，選擇光伏組件的最佳傾角；

(3)根據(jù)當(dāng)?shù)厮蝻L(fēng)浪的地理條件，規(guī)劃光伏組件串的布置型式以及光伏陣列之間、光伏陣列中的維修通道及電纜敷設(shè)通道；

(4)選擇漂浮式光伏電站浮臺型式、浮體和支撐件的材質(zhì)和規(guī)格；

(5)根據(jù)所需浮力、電纜溝設(shè)計要求計算浮體規(guī)格、形狀；

(6)設(shè)計浮體與浮體、浮體與支架、支架與光伏組件之間的連接形式；

(7)針對水面漂浮式光伏電站的型式和光伏組件布置，進(jìn)行光伏電站的防浪、防風(fēng)設(shè)計；

(8)設(shè)計光伏電站在水中的固定方式；

(9)設(shè)計光伏電站的接地。

優(yōu)選地，所述步驟1)中當(dāng)用于放置逆變器和箱式變壓器的浮臺的建設(shè)成本小于電纜增加的成本與發(fā)電量損失的經(jīng)濟效益之和時，逆變器和箱式變壓器置于光伏陣列的幾何中心，反之將逆變器和箱式變壓器置于岸邊。

優(yōu)選地，所述步驟2)中根據(jù)光伏組件傾角與發(fā)電量之間的關(guān)系計算，最佳傾角為5°～20°，此時光伏電站的發(fā)電量損失約2％～3％。

優(yōu)選地，所述步驟3)中，當(dāng)?shù)貙儆谒蝻L(fēng)浪大的地理條件時，橫向、單排布置光伏組件串；當(dāng)?shù)貙儆谒蝻L(fēng)浪小的地理條件時，豎向、多排布置光伏組件串。

優(yōu)選地，所述步驟3)中，維修通道的寬度為20cm～60cm。

優(yōu)選地，所述步驟4)中，浮臺形式包括全浮體式和浮體+支架式。

優(yōu)選地，所述步驟5)中，浮體既用于支撐光伏組件或支架，也用于鋪設(shè)維修通道和電纜敷設(shè)通道，浮體之間進(jìn)行一字型連接或者T字型連接。應(yīng)考慮維修人員、光伏組件、支架、電纜置于浮體上時浮體的平穩(wěn)性、連接的牢固性。優(yōu)選地，所述步驟7)中提高光伏電站的抗風(fēng)性的措施包括：降低光伏電站整體高度，減小光伏組件傾角，在光伏電站四周連接若干圈空置的浮體。

優(yōu)選地，所述步驟7)中降低波浪對光伏電站的影響的措施包括：浮體采用圓角設(shè)計，浮體上增加通孔，在光伏電站最外圍浮體下方連接防浪裙。

優(yōu)選地，全浮體形式中，支撐光伏組件的浮體的形狀設(shè)計中，浮體在水平面上的投影面積小于光伏組件在水平面上投影面積的70％。

本發(fā)明提供的水面漂浮式光伏電站設(shè)計方法綜合考慮了光伏電站所處地理環(huán)境、風(fēng)浪因素、各部件布置形態(tài)等特點，優(yōu)化和改進(jìn)了傳統(tǒng)光伏電站的計算方法，提出一套詳細(xì)完整的設(shè)計方案。該方法能用于設(shè)計水面漂浮式光伏電站，從科學(xué)地評估發(fā)電效率，以經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)，同時提出抗風(fēng)性措施和降低波浪措施，減少腐蝕對光伏電站的危害，提升水面漂浮式電站的長期穩(wěn)定運作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明水面漂浮式光伏電站設(shè)計方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但該實施例不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，本發(fā)明水面漂浮式光伏電站設(shè)計方法，包括如下步驟：

1)設(shè)計光伏電站的布置形式，確定光伏陣列、逆變器、箱式變壓器(以下簡稱“箱變”)的相對位置。

當(dāng)逆變器和箱變位于光伏陣列的幾何中心時，直流電纜的用量最省，接入同一個光伏匯流箱的光伏組件串的輸出電壓一致性也最好，因此光伏電站的發(fā)電量高于逆變器和箱變置于岸邊的布置方式，但需要為逆變器及箱變建設(shè)浮臺。逆變器和箱變置于岸上時，無需為逆變器及箱變建造浮臺，但大大增加了直流電纜的用量，也降低了光伏電站的發(fā)電量。因此，應(yīng)根據(jù)水面漂浮式光伏電站的規(guī)模、建設(shè)成本、發(fā)電量選擇合適的光伏電站形式。當(dāng)浮臺的建設(shè)成本小于電纜增加的成本與發(fā)電量損失的經(jīng)濟效益之和，逆變器和箱變置于光伏陣列幾何中心，反之將逆變器和箱變置于岸邊。

2)計算光伏組件的傾角，綜合考慮發(fā)電量和光伏組件布置的限定條件，選擇光伏組件的最佳傾角。

根據(jù)國標(biāo)計算光伏組件的傾角，一般傾角在20°～40°左右。但是與地面光伏電站不同，水面漂浮式光伏電站的光伏組件一方面會隨著波浪不斷波動，難以隨時保持在最佳傾角狀態(tài)，另一方面由于浮體漂浮在水面上，若光伏組件傾角較大，光伏組件和浮體受大風(fēng)影響更易傾覆，因此光伏組件的傾角宜選擇較小的角度。根據(jù)光伏組件傾角與發(fā)電量之間的關(guān)系計算，當(dāng)光伏組件傾角在5°～20°時，光伏電站的發(fā)電量損失約2％～3％，此時光伏電站受風(fēng)力影響降低，且仍然有利于下雨時沖刷掉光伏組件上的污物，故漂浮式光伏電站的光伏組件傾角在5°～20°之間調(diào)整。

3)根據(jù)結(jié)合光伏組件傾角，規(guī)劃光伏組件串的布置型式以及光伏陣列之間、光伏陣列中的維修通道及電纜敷設(shè)通道。

根據(jù)光伏電站所在區(qū)域風(fēng)力大小選擇光伏組件串的布置形式。通過橫向布置降低光伏電站整體高度，提高抗風(fēng)浪的能力，但浮體結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)的用量較多，豎向布置時，光伏電站光伏電站整體高度更高，但浮體結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)的用量較少。同理，單排布置時，光伏電站整體高度較低，抗風(fēng)浪、防傾覆的性能更好，但浮體、支架等材料用量較多，多排布置時，浮體、支架等材料用量較少，但是增加了光伏電站的整體高度，使其受風(fēng)浪的影響增大。故水面漂浮式光伏電站的光伏組件布置形式要根據(jù)當(dāng)?shù)厮蝻L(fēng)浪條件及成本進(jìn)行選擇。

不同于地面光伏電站，水面漂浮式光伏電站的維修通道、電纜敷設(shè)通道沒有現(xiàn)成的地面可利用。在方便運營維護的條件下應(yīng)盡量減少維修通道和電纜敷設(shè)通道的數(shù)量，且維修通道設(shè)計為20cm～60cm為宜，電纜敷設(shè)通道以滿足電纜敷設(shè)寬度要求即可。

豎向布置光伏組件時，維修通道的長度小于橫向布置光伏組件；多排布置光伏組件時光伏電站的維修通道的數(shù)量和長度小于單排布置的光伏電站。光伏組件的布置形式初步確定后，據(jù)此設(shè)計維修通道、電纜敷設(shè)通道的布置，然后再根據(jù)光伏組件、維修通道、電纜敷設(shè)通道的整體設(shè)計再優(yōu)化調(diào)整光伏組件布置，并更新維修通道、電纜敷設(shè)通道的設(shè)計。

4)選擇漂浮式光伏電站浮臺型式、浮體和支撐件的材質(zhì)和規(guī)格。

根據(jù)漂浮式光伏電站所在水域的風(fēng)力和波浪強度，以及浮體、支架的成本，選擇光伏組件的浮臺形式。浮臺主要提供浮力和支撐光伏組件。浮臺形式包括全浮體式和浮體+支架式。全浮體式水面漂浮式光伏電站中，浮體不僅用于提供浮力，還用于支撐光伏組件，將單個光伏組件連接成光伏陣列。該型式無金屬連接件，減少腐蝕對光伏電站的危害。浮體+支架式水面漂浮式光伏電站中，浮體主要用于提供光伏組件和支架的浮力，金屬或其他材質(zhì)的支架用于安裝光伏組件并將支架之間互相連接組成大規(guī)模的光伏陣列。

浮體和支撐件及涂層的材質(zhì)應(yīng)抗紫外線、抗腐蝕，并對水體無污染。

5)根據(jù)所需浮力、電纜溝設(shè)計要求計算浮體規(guī)格、形狀。

根據(jù)光伏組件、支架、工作人員、電纜等重量計算光伏陣列所需浮力，并根據(jù)浮體數(shù)量計算每個浮體需提供的浮力，根據(jù)浮力和工程成本設(shè)計每個浮體的體積。

浮體和支撐件的形狀應(yīng)利于運輸、安裝。浮體和支撐件應(yīng)盡量進(jìn)行模塊化設(shè)計，減少浮體和支撐件的種類、款式的數(shù)量，降低建設(shè)成本。例如同一款浮體既可用于支撐光伏組件，也可用于鋪設(shè)維修通道和電纜敷設(shè)通道，浮體之間可進(jìn)行一字型連接，也可進(jìn)行T字型連接。

全浮體形式中，支撐光伏組件的浮體的形狀設(shè)計中，應(yīng)使浮體在水平面上的投影面積小于光伏組件在水平面上投影面積的70％，以增大光伏組件的親水面積，充分發(fā)揮水的對光伏組件的冷卻效果。

浮體、支架的設(shè)計除考慮放置光伏組件外，還應(yīng)為電纜的敷設(shè)預(yù)留通道。

6)設(shè)計浮體與浮體、浮體與支架、支架與光伏組件之間的連接形式。

水面漂浮式光伏電站浮體與浮體、浮體與支架、浮體與光伏組件、支架與光伏組件之間的連接應(yīng)考慮波浪對光伏電站的影響。

對于沒有金屬支架結(jié)構(gòu)的全浮體型式，浮體作為受力的主體承受隨波浪波動時的拉力、扭力、擠壓力等外力，故浮體與浮體之間的連接采用非剛性連接，但應(yīng)使相對運動不影響光伏組件的穩(wěn)定，且維護人員踩上浮體時，浮體的下沉不影響維護人員正常工作。

對于有金屬支架結(jié)構(gòu)的浮體+支架型式，金屬支架作為承受拉力、扭力、擠壓力的主體，單根金屬支架的長度宜不超過10m。此時浮體與支架、支架與光伏組件宜采用剛性連接，減少相對運動，利用支架為光伏電站提供穩(wěn)定支撐。

7)針對水面漂浮式光伏電站的型式和光伏組件布置，進(jìn)行光伏電站的防浪、防風(fēng)設(shè)計.

與地面光伏電站不同，水面漂浮式光伏電站的光伏組件支撐未固定在水底，故受風(fēng)浪影響，造成光伏電站整體波動，并形成局部相對運動，既增大材料的疲勞性，造成浮體或支架折斷、損壞，也容易造成局部光伏組件及浮體傾覆。

提高光伏電站的抗風(fēng)性可采取如下措施：降低光伏電站整體高度，減小光伏組件傾角，在光伏電站四周連接若干圈空置的浮體。

降低波浪對光伏電站的影響可采取如下措施：浮體采用圓角設(shè)計，浮體上增加通孔，在光伏電站最外圍浮體下方連接防浪裙。

判斷是否滿足受力、滿足要求，是則前往下一步；否則返回步驟3)。

8)設(shè)計光伏電站在水中的固定方式。

水面漂浮式光伏電站的固定既要防止光伏電站在便宜原定位置太遠(yuǎn)，又要防止水位上升而固定拉索太短淹沒光伏電站，并且固定拉索不應(yīng)妨礙船只通行。離岸較近的光伏電站，在不影響行船的條件下可通過拉索固定在岸邊，離岸較遠(yuǎn)的光伏電站宜固定在水底，并預(yù)留最高水位時光伏電站不被淹沒的拉索長度。

9)設(shè)計光伏電站的接地。

水面漂浮式光伏電站離岸較近時，可將接地極設(shè)計在岸上或水底，通過接地線與接地極相連，接地電阻的大小應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。水面漂浮式光伏電站離岸較遠(yuǎn)時，宜將接地極設(shè)計在水底，通過接地線與接地極相連，接地電阻的大小應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

實施例：在湖中建設(shè)100kW水面漂浮式光伏電站。

由于光伏電站所在地光伏利用小時數(shù)約1100小時，且電站裝機容量較小，故光伏電站發(fā)電量較少，占地面積較小。若在光伏陣列中間設(shè)置浮臺安裝逆變器和變壓器，節(jié)約的直流電纜用量和增加的發(fā)電量產(chǎn)生的收益小于建造浮臺的成本，故該項目選擇將逆變器和變壓器安裝在湖邊岸上。

光伏傾角計算時，以1°為步進(jìn)值，計算0°～40°時水面漂浮式光伏電站的發(fā)電量。分析傾角與發(fā)電量的關(guān)系可得，當(dāng)傾角從0°逐漸增加到最佳傾角32°時，發(fā)電量上升，從32°繼續(xù)增加，發(fā)電量下降。另一方面，當(dāng)傾角達(dá)到12°后，發(fā)電量僅比32°時小2％左右?？紤]到水面漂浮式光伏電站光伏組件在運行期間受波浪影響，傾角難以固定，且傾角大時光伏組件受大風(fēng)威脅易傾覆，故光伏組件的安裝傾角選擇12°。

光伏組件串布置時，從降低光伏電站整體高度出發(fā)，選擇單排橫向布置光伏組件，此時增加了維修通道的長度。

為了減少金屬件的使用，降低潮濕環(huán)境對光伏電站的腐蝕，水面漂浮電站的浮臺型式選擇全浮體式，且浮體采用抗紫外線和腐蝕程度較高的材料如高密度聚乙烯(HDPE)，對水體的污染較小。

根據(jù)所安裝的275W光伏組件的尺寸和重量計算，同時考慮2名工人同時工作的情況，水面漂浮式光伏電站的浮臺由安裝光伏組件的支撐浮體和作為維修通道的通道浮體構(gòu)成。支撐浮體為矩形，長、寬分別為1m，四周采用圓角設(shè)計，從浮體上表面開圓形穿孔至浮體下表面，面積為浮體上表面的一半，以增加光伏組件的臨水面積，提高水體對光伏組件的冷卻效果。通道浮體設(shè)計成1.7m長、0.4m寬的中空長方體，四周采用圓角設(shè)計。支撐浮體和通道浮體通過卡槽耦合以及非金屬螺栓固定形成連接，連接處留出5mm的間隙，通過非剛性連接緩沖浮體波動時連接處的受力。通道浮體之間既可進(jìn)行一字型連接也可T字型連接，同樣采用非剛性連接的形式。支撐浮體既用于安裝光伏組件，也用于和通道浮體配合作為電纜敷設(shè)通道。采用全浮體結(jié)構(gòu)的浮臺型式后，光伏組件與支撐附體之間通過壓塊和螺栓實現(xiàn)緊密連接。

通過將光伏組件傾角設(shè)計為12°，光伏組件串中的每塊光伏板橫向布置，水面漂浮式光伏電站的整體高度遠(yuǎn)低于地面光伏電站的整體高度，抗風(fēng)浪性能更優(yōu)。在光伏電站的外圍通道浮體的外側(cè)，再T接一組通道浮體，減少最外側(cè)光伏組件傾覆的可能性。

最外側(cè)通道浮體的水面以下，安裝一圈防波圍擋。防波圍擋和最外側(cè)通道浮體相連，發(fā)揮“防波堤”的作用，使圍擋所圍范圍內(nèi)水域的波浪減小，以降低浮體收波浪印象上下波動時浮體連接處的受力。

水面漂浮式光伏電站的固定通過線纜固定在岸上。

光伏電站的接地通過在湖底埋入接地極，將光伏電站接地電纜與接地極相連實現(xiàn)。接地電纜的長度滿足發(fā)生當(dāng)?shù)厮?0年一遇最大水位時，光伏電站浮在水面上，接地電纜長度仍滿足光伏電站與接地極的連接長度。

其它未詳細(xì)說明的部分均為現(xiàn)有技術(shù)，以上所有參數(shù)均可通過查閱手冊或計算得到。本發(fā)明并不嚴(yán)格地局限于上述實施例。以上所述僅為本發(fā)明的特定實施例，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換及改進(jìn)等，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。