一种分段式漂浮光伏轻型锚固系统及其设计方法与流程

本发明涉及漂浮式水上光伏发电，更具体地说它是一种分段式漂浮光伏轻型锚固系统。本发明还涉及这种分段式漂浮光伏轻型锚固系统的设计方法。

背景技术：

1、随着光伏行业的迅猛发展，可用于建设光伏电站的陆地资源越来越紧缺；水上光伏可以很好地解决建设用地受限的问题，发展前景广阔；漂浮式水上光伏电站利用浮式基础支撑光伏组件、电缆、汇流箱、逆变器等设备并漂浮在水面上，浮式基础通常通过锚桩、锚块等方式被限制在水面一定区域内浮动；光伏组件安装在水体上，不占用土地资源，适合空间有限的地区使用，可以利用水库、池塘、湖泊等水域上的闲置空间进行安装，同时可以起到遮挡水面的作用，减少水面光照，从而降低水中藻类的生长，减少水体富营养化和藻类赤潮问题的发生，对水体生态环境具有保护作用。

2、常规漂浮式水上光伏项目大多建设在水深不超过30米的水库、鱼塘等区域，主要的锚固方法是采用不锈钢丝绳作为锚绳，连接固定在水底的锚块；全球大部分大型水库的水深较大，可达70米甚至100米以上，水深增加将导致钢丝绳的长度和直径显著增大，锚固系统成本上升；由于钢丝绳的密度大，锚绳上端与光伏方阵的连接处，会承受很大的载荷，存在拉坏或拉沉外圈浮体的安全隐患；因施工误差，锚点位置不一，锚固系统容易产生拉力集中现场，造成方阵破坏。

3、中国专利《一种圆环结构的漂浮光伏锚固装置》(申请号：202320476116.7)采用圆环结构与锚固柱滑动连接，当水位上涨时，不需要人工调整锚固装置，漂浮块可始终漂浮在水面之上，当水位下降时，锚固体可自动下降，且锚固效果不会降低；该专利解决常规水深水域的水位变化带来的锚固问题，但是对于对于大水深水域，锚固柱无法施工安装，因此在大水深水域，该专利方案不具备可行性。

4、中国专利《一种漂浮光伏系泊锚固系统设计方法》(申请号：202310733433.7)提出了一种通用的、基于已有规范要求、考虑环境荷载和水文地质等作用以及荷载组合效应的漂浮光伏系泊锚固系统设计方法，该专利提出了通用锚固系统的设计方法，但未涉及深水环境的复杂锚固系统可能产生的方阵大偏移、锚固半径大等问题。

5、因此，研发一种适应于大水深的漂浮式光伏锚固系统及其设计方法是行业内亟需解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种分段式漂浮光伏轻型锚固系统。

2、本发明的第二目的是提供这种分段式漂浮光伏轻型锚固系统的设计方法。

3、为了实现上述第一目的，本发明的技术方案为：一种分段式漂浮光伏轻型锚固系统，包括漂浮于水面的漂浮光伏方阵和沉于水底的锚块，其特征在于：还包括设置在漂浮光伏方阵外侧的多个锚固支架、一端与锚固支架连接、另一端与中部缆绳连接的上部连接件；

4、不少于一根所述中部缆绳与一根下部缆绳连接；

5、所述下部缆绳与底部连接件连接；

6、所述底部连接件与锚块连接。

7、在上述技术方案中，所述漂浮光伏方阵底部外侧设置有辅助浮体。

8、在上述技术方案中，所述上部连接件和底部连接件均为金属材料。

9、在上述技术方案中，所述上部连接件和底部连接件均为锚链或钢丝绳。

10、在上述技术方案中，所述上部连接件一端通过第一锚固卸扣与锚固支架连接、另一端通过第一转接卸扣与中部缆绳连接；

11、所述中部缆绳通过第二转接卸扣与下部缆绳连接；

12、所述下部缆绳通过第三转接卸扣与底部连接件连接；

13、所述底部连接件通过预埋连接件与锚块连接。

14、在上述技术方案中，所述中部缆绳和下部缆绳均为合成纤维绳，所述下部缆绳悬于水中。

15、为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：一种分段式漂浮光伏轻型锚固系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

16、步骤1，计算极限工况下，来自各方向的风、浪、流对漂浮光伏方阵的在x，y，z三个方向上的环境荷载，选取最大环境荷载作为设计环境荷载，x方向上设计环境荷载为fx，y方向上设计环境荷载为fy，z方向上设计环境荷载为fz；

17、步骤2，提出锚固距离lm0，即锚块中心到漂浮光伏方阵外侧锚固支架的水平距离；锚固距离应满足如下要求：

18、

19、其中hmax为设计最大水深；

20、步骤3，根据设计环境荷载fx、fy、fz；和水位计算漂浮光伏方阵在设计低水位的方阵最大偏移量zm；

21、具体步骤如下，步骤3.1：计算由于z方向上的环境荷载fz导致的漂浮光伏方阵吃水增加：

22、

23、其中：d1为荷载作用下的增加吃水；aw为方阵水线面面积；

24、步骤3.2，计算由水位和吃水变化引起的方阵偏移量zw：

25、

26、其中，hmin是设计最小水深；

27、步骤3.3，x方向上锚块的数量为nx,y方向上锚块的数量为ny,初步确定下部缆绳破断拉力tb满足以下要求：

28、

29、

30、tbx≥stx

31、tby≥sty

32、其中:tx为x方向上的下部缆绳张力，ty分别为y方向上的下部缆绳张力，s为锚绳张力安全系数；

33、根据tbx和tby对下部缆绳直径和材料选型，从而确定其伸长率公式，缆绳伸长率与拉力t相关，定义为：

34、y＝f(t)

35、其中y为缆绳伸长率；

36、步骤3.4：计算由环境荷载导致缆绳张拉变形产生的偏移zx1,zy1:

37、

38、

39、其中lx0为x方向下部缆绳和底部连接件的初始长度和,ly0为y方向下部缆绳和底部连接件的初始长度和；

40、步骤3.5：方阵最大偏移量计算如下：

41、zmx＝ndy×zx1+zw

42、zmy＝ndy×zy1+zw

43、其中，zmx是x方向上的最大偏移；zmy是y方向上的最大偏移；ndy是动力放大系数；

44、步骤4，复核方阵最大偏移量，不满足设计要求时则重新设计锚固距离lm0、缆绳材料、缆绳长度等关键参数，重复步骤2-步骤3，直至最大偏移量满足设计要求：zm≤3；

45、步骤5，计算各段锚绳规格，上部连接件和中部缆绳破断拉力不低于：

46、

47、其中：tx1为x方向上部连接件和中部缆绳破断拉力；ty1为y方向上部连接件和中部缆绳破断拉力；n1为下部缆绳连接中部缆绳的数量；θ为中部缆绳和下部缆绳的夹角；

48、步骤6，锚块质量m满足：

49、(mxg-txcosα)f≥fx/nx

50、(myg-tycosα)f≥fy/ny

51、其中：mx为x方向上锚块质量；my为y方向上锚块质量；α为锚绳与竖直方向夹角；g为重力系数；f为锚块与水底的摩擦系数。

52、在上述技术方案中，在步骤3.3中，s不低于3。

53、在上述技术方案中，在步骤5中，上部连接件长度不小于3m，中部缆绳长度不小于2m，底部连接件长度大于最小水位时锚绳躺底长度。

54、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

55、1)本发明采用锚链—缆绳—锚链多段式系泊方案，采用重量轻、弹性好的缆绳，减少拉力集中现象，适应超50m的大水深水域，提升系统安全性；本发明还提出该锚固系统的设计方法，减少锚固系统锚固半径，限制方阵偏移。

56、2)本发明针对超过50m水深的大水深锚固系统的锚绳长、重量大，与竖直方向夹角小竖向拉力大等特点，提出在漂浮光伏方阵边侧下方安装的辅助浮体，用于减轻因锚绳重力和下拉力产生的边侧浮体下沉现象。

57、3)本发明整个锚固系统主要采用缆绳作为承力结构，充分发挥合成纤维轻质、高强、耐腐的特点，降低锚固系统整体重量；上部连接件位于近水面处，采用金属材质，避免缆绳受紫外线长期作用产生老化造成力学性能衰退；底部与水底接触摩擦范围内采用底部连接件，发挥金属比合成纤维更优的耐磨性能，避免缆绳在长期磨损下破坏断裂。

58、4)本发明多根中部缆绳与单根下部缆绳连接，减轻单个锚固支架上的锚固荷载，降低浮体耳板在锚固系统受力被拉扯撕裂的风险，同时可减少锚块数量；缆绳具有一定弹性，即便在有一定施工误差的时候，也能通过张拉变形让每根锚绳同时受力，减轻拉力集中的现象，保护漂浮光伏方阵。

59、5)本发明的设计方法以漂浮光伏方阵的最大偏移量为主要控制因素，在满足结构安全的基础上，可减小方阵之间的间距，节约水面空间，提升水面利用率；

60、6)本发明的设计方法除了考虑到水位变化导致的方阵偏移外，还提出缆绳张拉变形导致的方阵偏移计算方法，准确的评估缆绳的伸长率对漂浮光伏方阵偏移的影响。