动态抗风柔性光伏支架发电系统的制作方法

本技术属于农光互补、渔光互补、林光互补、牧光互补等抗风光伏，具体涉及一种动态抗风柔性光伏支架发电系统。

背景技术：

1、本技术人的“耕地高空光伏发电方法及光伏发电悬索（cn117792235b）”，授权了一种（利用）耕地高空（进行）光伏发电（的）方法及光伏发电悬索。它在高抗拉强度的承重索上铺设光伏电池层，以封装制出一种（柱面型）光伏发电悬索，并通过支撑物将光伏发电悬索架设到耕地上空，一方面吸收高空中的富余太阳能发电，另一方面还可顺便输水灌溉，实现农业生产与光伏发电互补发展——农光互补。其跨距大、桩基少，可避免严重妨碍农机作业。它克服了现有农光互补技术发电波动大、高空架设难、安装工费高、难于清洗维护、使用寿命短、耕地上空富余的太阳能资源未被充分有效开采等诸多技术缺陷。

2、然而，在使用柔性薄膜光伏电池生产柱面型光伏发电悬索时发现：柔性薄膜光伏电池尚未形成规模效应，短期内其市场价格（约1.65元/瓦）难以降至单晶硅平面光伏（电池）板的价格水平（约0.8元/瓦），预计其光伏发电悬索成本，短期内仍会较高。

3、中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司作为专利申请人，提出了“一种大跨度柔性支架光伏电站的石漠化治理系统（cn219812768u）”、“一种大跨度双曲悬索柔性光伏支架（cn219834036u）”、“一种大跨度预应力双层索网结构光伏支架及其安装方法（cn116780986a）”、“一种大跨度柔性索网结构光伏支架（cn116667755 a）”等四件专利。该四件专利等诸多现有技术具有一个技术共同点：采用“两根承重索”和“一根稳定索”来稳固光伏板，用静态光伏板来抵抗风袭。一言以蔽之，它们采用的是静态抗风的技术路线。

4、本技术人跟踪调研了上述采用静态抗风技术路线的柔性光伏支架等专利技术的实施情况后发现，其存在这样一个共同技术缺陷：如图10所示，采用“两根承重索”固定光伏板的柔性光伏支架（发电）系统，各光伏板在同一时刻受到强风扭力作用的合力会相互叠加，一块光伏板的剧烈晃动必然通过“两根承重索”牵动其它光伏板与之齐步剧烈晃动，维稳成本极高。位于海南省海口市美兰区三江镇的、一座四个月前建成的、如图10所示现有技术方案的、装机容量100兆瓦的、占地面积1663亩的、某某柔性光伏支架渔光互补示范项目，就在本次（2024年第11号台风）摩羯台风中被吹毁殆尽，造成了经济损失4亿多元人民币。由此可见，采用静态抗风的现行技术路线，用静止不动的光伏板抵抗强风的设计理念，受到了超强台风的严峻挑战。

技术实现思路

1、本技术的目的：提供一种动态抗风柔性光伏支架发电系统，以便采用现行单晶硅光伏板等廉价的平面光伏组件、来搭建另外一种柔性光伏支架发电系统，达到可抵抗超级台风的技术效果，开辟一条动态抗风的新技术路线。

2、为了实现上述发明目的，本技术提出一种不同于现行静态抗风技术路线的、动态抗风柔性光伏支架发电系统。

3、本技术提供一种动态抗风柔性光伏支架发电系统，包括支撑物、承重索与光伏（电池）板，其特征在于：

4、①（众）多块光伏板均通过（特定的）连接装置安装于同一根承重索上，使得各光伏板能够在强风作用下相对于承重索可随风（左右）摇摆，以缓冲风力、增强系统的抗风能力；例如将（众）多块光伏板分别骑坐到同一根承重索上，使它们各自可绕承重索随强风摇摆；

5、②在无风或微风条件下，光伏板保持面向天空的相对静止状态，以接收阳光发电；

6、③每块光伏板均配置有至少一种缓冲机制，包括但不限于弹簧或杠杆机构，该机制在遭遇强风时能够有效减缓光伏板的摇摆幅度，从而保护光伏板使之免受过度应力影响，并在强风过后自动协助光伏板复位至面向天空的相对静止状态；换言之，光伏板各自连接有（缓冲）弹簧或/和（缓冲）杠杆，强风来袭时（此时弹簧被较大拉力拉伸或者杠杆被较大扭力扭紧）用于缓冲光伏板的摇摆强度（也即减弱光伏板的摇摆冲击力）、以缓冲风力，强风过去时（此时弹簧收缩或者杠杆放松）用于使光伏板复位、并（用于抵御小于屈服点的微风拉力以）保持面向天空的相对静止状态；

7、④同一根承重索上的多块光伏板通过并联或/和串联方式电性连接，形成一条完整的（平板型）光伏发电悬索、并悬挂于两支撑物之间的空中。

8、需要说明的是，上述“缓冲机制”是指用于减轻或吸收外部力量（如风力）对光伏板造成的冲击，保护光伏板结构安全并维持其发电的设计。

9、还需要说明的是，当拉力较小时弹簧保持不伸长，但当拉力超过某个特定值时弹簧开始伸长，这个特定的拉力值通常被称为弹簧的临界拉力或屈服点。采用上述“缓冲机制”后，微风时，光伏板欲摇摆的拉力小于弹簧和杠杆的屈服点，不能拉动弹簧和杠杆，因而，微风时弹簧和杠杆可继续维持光伏板面向天空的相对静止状态；强风来袭时，光伏板欲摇摆的拉力大于弹簧和杠杆的屈服点，能够拉动弹簧和杠杆，因而无法维持光伏板面向天空的相对静止状态，必将导致光伏板各自绕承重索随强风摇摆，以缓冲风力。

10、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：弹簧一端连接光伏板或杠杆，另一端连接（其它）稳定物，例如稳定索、相邻的承重索、水管、重物、地面等不易动的物体，用于限制光伏板的摇摆幅度，防止光伏板（被乱风吹得）绕承重索转圈，避免扯断电连接线；或者，杠杆一端连接光伏板，另一端连接（其它）稳定物，用于限制光伏板的摇摆幅度，防止光伏板（被乱风吹得）绕承重索转圈，避免扯断电连接线。所述杠杆应是刚性的，例如角铁、铝型材等。

11、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏板与承重索之间采用非固定性连接装置，包括但不限于铰链结构，以使光伏板可绕承重索随强风摇摆，以防带动承重索随之扭动，以防带动邻座的光伏板随之摇摆。这里所述的“非固定性连接”指的是光伏板能够在一定范围内相对于承重索随风摇摆，而非完全固定不动。

12、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：杠杆的杆长b与光伏板的板宽d之比值b/d≥1或2或3或4或5或10，以便采用屈服点较小的廉价弹簧来维持光伏板面向天空的相对静止状态。这是因为杆长b越长b/d值就越大、扭矩也就越大，就越容易稳住光伏板，杆长b最好为1-2m。

13、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：弹簧的屈服点不尽相同（也即参差不齐）；或者，杠杆的杆长b不尽相同（也即参差不齐）。这样一来，就可避免光伏板发生同频共振摇摆、避免联动撕扯和共振损坏。

14、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：承重索上抱箍有护索套（例如轴承、管子、抱箍等），光伏板骑坐在护索套上，用于保护承重索，以防（承重索被）磨损。

15、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏板背面或侧面固定有∩形鞍座或环形鞍座，∩形鞍座或环形鞍座骑坐在护索套上，以形成铰链结构等非固定性连接装置。最好在护索套上设有挡板、限位销等限位部件，用之阻止光伏板沿着承重索滑动、以防相邻的光伏板相互挤压碰撞。

16、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：杠杆一端连接光伏板，另一端连接弹簧的一端，弹簧的另一端连接（其它）稳定物。

17、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏发电悬索距离地表的高度为索高h、光伏发电悬索之单跨为跨距l、光伏发电悬索之水平投影间距为影距k；遮阳系数d/k≤5，间高比k/h≤10。

18、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏板的板宽d≤50mm或100mm或235mm或322mm或415mm或830mm或1288mm。板宽d最好为100mm至235mm，因为该宽度的光伏板在地面上的阴影较窄，划过作物的时间短，阳光可均匀地分配给全部作物，不影响正常光合作用；并且，风力所产生的摇摆扭矩就会很小，风阻也会很小，跨距l也就可以越大。

19、优选的是，索高h≥1m或2m或3m或5m或10m或20m或30m或50m或100m等设定尺寸，应使索高 h足够高，以保证最高的作物顶端也不会触碰到光伏发电悬索，最好h≥5m，以保证不妨碍大型农机和无人机作业；跨距l≥10m或20m或50m或80m或150m或500m，应使跨距l足够大，以减少支撑物的数量、降低桩基占地面积、避免严重妨碍大型农机作业，最好跨距l≥120m，以进行超大跨距应用；影距k≥0.05m或0.1m或0.2m或0.5m或1m或2m或3m或5m或10m，应适当减少光伏发电悬索的阴影面积、最低限度地保证作物生长光照需要、避免因光合作用不足而减产。

20、更为优选的是，（尽量使）索高h大于设定尺寸、（尽量使）遮阳系数d/k≤0.01或0.02或0.03或0.05或0.1或0.2或0.3或0.5或1或2或3等设定系数值，以保证每条正午阴影每1-20分钟（最好每1-5分钟）移动1条正午阴影宽度的距离；同一根阴影停留在同一株作物上（同一位置）的时间不超过30分钟，最低限度地保证作物生长光照需要、避免因光合作用不足而减产；为了统一检测标准，这里将正午阴影定义为正午时候（即11时至13时）的太阳将光伏发电悬索投射在地面上的阴影；换言之，所述正午阴影是指11时至13时的太阳将光伏发电悬索投射在地表上的阴影。

21、研究显示，索高 h≥2m、d≤0.415m、遮阳系数d/k≤0.25，作物需要的阳光每隔20分钟被遮挡3-5分钟，如此用相邻多根光伏发电悬索不断遮挡、放开、再遮挡、再放开地轮番遮挡同一株作物的阳光，使作物获得间歇光照，可刺激作物生长、可提高作物产量。这样一来，作物吸收到的阳光平均将会减少13-20%。其中一组数据显示，减少13%以内（相当于d/k≤0.15时）的阳光照射时，对作物的光合作用和产量没有丝毫影响；其中另一组数据显示，减少20%以上（相当于d/k≥0.25时）的阳光照射时，对作物的光合作用和产量开始有一些影响。因此，索高 h≥2m、d≤0.415m（0.235m最好）、d/k≤0.25、每条正午阴影每1-20分钟移动1条正午阴影宽度的距离，是无碍于作物光合作用的黄金比例，具有普遍使用价值。

22、研究显示，阴影停留在同一株作物上的时长，还与h成反比、与d成正比。以海口市秀英区为例，h为50米高的南北走向的光伏发电悬索、于3月4日正午时分（11点）的阴影移动速度是68cm/分钟；若把光伏发电悬索的索高 h降到4.6米，则阴影移动速度将会降至2.5cm/分钟，若把光伏发电悬索的索高 h降到1.2米，则阴影移动速度将会降至0.6cm/分钟。又于3月4日正午时分（13点半）把光伏发电悬索的索高 h降到5米，则阴影移动速度将会降至1.3cm/分钟。同期对比观察得知，东西走向的索高 h为5米的光伏发电悬索，其阴影（向南）移动的速度才0.33毫米/分钟，其阴影移动速度实在太慢，具体实施中，应尽量避免将比较宽的光伏发电悬索沿东西走向架设，应尽量沿南北走向架设。由此可见，为了减轻阴影移动速度慢对作物生长的影响，应尽量提升光伏发电悬索的悬挂索高 h。鉴于索高 h为1米时，阴影在作物上的停留时间很长，会严重作物生长，因此不建议采用这么低的索高 h；当然，为了减轻阴影移动速度慢对作物生长的影响，还应尽量缩小光伏发电悬索的板宽d。

23、综上所述，具体实施时，应将索高 h优选为2m以上，最好选为4m以上；应将板宽d优选为0.15m以下，最好优选为0.1m以下；还应将水平投影的影距k优选为0.5 m以上，最好优选为1m以上；d/k≤0.25，最好选为d/k≤0.15的黄金比例。而现行市场的小规格光伏板尺寸为1.2m×0.6m，其所产生的阴影为0.6m宽，几倍于本技术的最佳优选阴影宽度0.235m以内。这么宽的阴影，其阴影必然长时间（一般每次都超过1个小时）停留在同一作物上、而导致该作物的光合作用减弱并减产，必然会对耕地原有作物造成较大生态环境影响。

24、具体实施中，应根据耕地里的作物种类区别选择遮阳系数d/k，对于需要遮光网来调节光照水平的作物、以及不在乎产量的林地来说。例如菜类作物莴苣、生菜、菠菜、甘蓝、芥菜、芹菜、绿林、草原等，可适当提高遮阳系数d/k，缩小影距k，增大板宽d。

25、还有优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏发电悬索沿南北走向悬挂，该南北走向包括与经线夹角小于39°的所有走向。这样一来，就可提高阴影移动速度，使阴影快速移开同一株作物，减轻对作物光合作用的影响。

26、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏发电悬索上设有（连通现行滴灌/喷灌系统的）灌溉水管，光伏发电悬索与灌溉水管共用承重索及支撑物。这样一来，本技术技术方案不但可以利用耕地上空富余的阳光进行光伏发电，而且还可顺便输水灌溉。

27、还有更为优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏发电悬索上设有补光电灯（俗称植物生长灯），光伏发电悬索与补光电灯及其电源导线共用承重索及支撑物，用以夜间给喜光作物补光，以促进作物生长，以实现光伏发电与夜间补光及输水灌溉三合一的农光互补。这样一来，本技术技术方案不但可以利用耕地上空富余的阳光进行光伏发电，而且还可顺便输水灌溉，还可在夜间给喜光作物补光，以促进作物生长。

28、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：承重索或护索套上设有限位部件，用于阻止光伏板沿承重索滑动、以防相邻的光伏板相互碰撞。

29、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏板为弯曲半径大于0.30m的弧面光伏板。这是因为现行价格较低的半柔性光伏组件，其弯曲半径全部大于0.30米，难以制作成“耕地高空光伏发电方法及光伏发电悬索（cn117792235b）”中所需的小直径柱面型光伏发电悬索，但却可以应用于本技术中，制作成弯曲半径大于0.30m的弧面光伏板。

30、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：在同一条承重索上的（众）多块光伏板中，一些光伏板位于承重索左边的面积大、另一些光伏板位于承重索右边的面积大，以便一股风吹来时，一些光伏板容易顺时针摆起、另一些光伏板容易逆时针摆起，从而使稳定索同时受到（众）多个不同方向的拉力，以形成稳定索受力之合力为零的局面，从而避免稳定索拉断。亦或者，承重索左右两边的光伏板面积不相等。

31、优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：光伏板设有（例如一双永久电磁铁构成的）限力器，无风、微风、低等级台风等非强风时期，依靠限力器限制住光伏板、使之保持面向天空的静止状态；当强风来临时，使光伏板脱离限力器，由弹簧发挥缓冲拉力作用，以缓冲风力。所述限力器可以是断裂螺栓、过载保护器、安全销等各种各样的现行限力装置，包括电控限力装置。

32、还有优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：索高h≥2m、板宽d≤0.415m、遮阳系数d/k≤0.25、每条正午阴影每1-20分钟移动1条正午阴影宽度的距离，最低限度地保证作物生长光照需要、避免因光合作用不足而减产。

33、还有优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于，其特征在于，它包括下列a1至a10中、或b1至b8中、或c1至c6中、或e1至e8中、或f1至f12中、或g1至g5、或y1至y5中任意一个技术特征：

34、a1d≤10mm、a2d≤20mm、a3d≤30mm、a4d≤50mm、a5d≤100mm、a6d≤235mm、a7d≤322mm、a8d≤415mm、a9d≤830mm、a10d≤1288mm；

35、b1h≥1m、b2h≥2m、b3h≥3m、b4h≥5m、b5h≥10m、b6h≥20m、b7h≥30m、b8h≥50m；

36、c1l≥10m、c2l≥20m、c3l≥50m、c4l≥80m、c5l≥150m、c6l≥500m；

37、e1k≥0.05m、e2k≥0.1m、e3k≥0.2m、e4k≥0.5m、e5k≥1m、e6k≥2m、e7k≥3m、e8k≥5m；

38、f1d/k≤0.01、f2d/k≤0.02、f3d/k≤0.03、f4d/k≤0.05、f5d/k≤0.1、f6d/k≤0.2、f7d/k≤0.3、f8d/k≤0.5、f9d/k≤1、f10d/k≤2、f11d/k≤3、f12d/k≤5；

39、g1k/h≤0.1、g2k/h≤0.5、g3k/h≤1、g4k/h≤2、g5k/h≤5；

40、y1b/d≥2、y2b/d≥3、y3b/d≥4、y4b/d≥5、y5b/d≥10。

41、还有优选的是，所述的动态抗风柔性光伏支架发电系统，其特征在于：相邻多根光伏发电悬索不断遮挡、放开、再遮挡、再放开地轮番遮挡同一株作物的阳光，使作物获得间歇光照，以刺激作物生长、提高作物产量。

42、本技术所述的承重索泛指可通过张拉作用支撑起光伏板的线型物，包括绳索、钢索、锁链、多段棒体或管体或型材勾连而成的线型物等。

43、与现有技术相比，本技术具有如下有益技术效果。

44、其一、具有在先申请“耕地高空光伏发电方法及光伏发电悬索（cn117792235b）”的全部十项有益技术效果，且成本低廉。这是因为本技术采用了现行单晶硅光伏板等廉价平面电池板（而不是采用昂贵的柔性薄膜电池）、封装出了采用平面电池板制造的另外一种（平板型）光伏发电悬索。

45、其二、不会联动、不会共振：本技术中组成光伏发电悬索的各个光伏板之间是分离结构，相互之间没有联动连接，一块光伏板的剧烈摇摆不会通过一根承重索传递到其它光伏板上。在上百米长的光伏发电悬索内，各光伏板在同一时刻必然受到多股、多相位、多方向的强风作用，其方向及合力必然会相互抵消，难以相互叠加增强，难以形成破坏力，因而本技术的这种动态抗风成本极低。犹如图11所示的一串树叶的分离结构那样（每片叶子都有各自的摇摆自由，一片叶子的摇摆不会牵动其它叶子与之齐步摇摆），一个光伏板的剧烈摇摆不会牵动其它光伏板与之齐步剧烈摇摆，也即不会联动、不会共振。而背景技术“一种大跨度柔性支架光伏电站的石漠化治理系统（cn219812768u）”等现行柔性支架光伏电站方案，如图10所示，它们均采用“两根承重索”来稳定光伏板，其各光伏板相互之间是联动连接的，光伏板没有各自的摇摆自由，一块光伏板的扭动必然牵动另一块光伏板与之联动、共振，从而难抗强风、易于损坏。值得强调的是，本技术附图5所示的一种不同于现行“静态抗风”技术路线的“动态抗风”创新实施方案，通过了2024年第11号超强台风摩羯的实测考验。分析可知，本技术的“动态抗风”采取的是以动治动的策略，而现有技术的“静态抗风”采取的是以静治动的策略，二者思路迥然不同，技术效果反差巨大。

46、其三、节省一根承重索，可去掉专用稳定索，成本更低，抗风性能更强。与现行“两根承重索”和“一根稳定索”所搭建的柔性光伏支架（发电）系统相比，本技术至少节省了一根承重索，甚至一根稳定索可同时供多条发电悬索共用，甚至可不安装（去掉）专用稳定索、而用相邻的承重索兼做稳定索使用，成本极低，抗风性能极强。

47、其四、间歇光照、可增产增收：因为光伏发电悬索可呈现南北走向、且可很窄很高，且间高比k/h可很小，相邻多根光伏发电悬索的阴影随着太阳的移动可（无需动力/人工自动进行快速）轮番遮挡阳光，以使作物获得间歇光照，从而刺激作物生长、提高作物产量。这样一来，不但不影响光合作用，反而可促进作物生长和增产。本技术人曾向“某心一言”ai大模型提了这样一个问题：我做了许多实验，每日每隔20分钟遮挡3-5分钟阳光，如此轮番遮挡放开地间歇光照，可刺激火龙果生长并提高产量，请问为什么。得到的答复如下：1、火龙果作为植物，其生长依赖于光合作用产生的能量和养分。然而，长时间的光照可能导致光合作用产物积累过多，影响呼吸作用的正常进行，进而影响植物的整体代谢平衡。间歇光照可能有助于调节光合作用和呼吸作用的平衡，使植物在光照期间积累能量和养分，在遮挡期间进行必要的呼吸作用，从而优化植物的生长状态。2、光信号调控，光照不仅是光合作用的能量来源，还是植物生长发育的重要信号。间歇光照可能模拟了自然界中光照强度的变化，这种变化被植物感知并转化为生长信号。研究表明，光信号可以调控植物的生长周期、开花时间以及果实的发育等生理过程。因此，间歇光照可能通过影响光信号传导途径，促进火龙果的生长和产量提高。3、减少光抑制和光破坏，在强光下，植物的光合作用系统可能受到抑制或破坏，导致光合效率下降。间歇光照可以减少植物长时间暴露在强光下的风险，降低光抑制和光破坏的发生。这有助于保护火龙果的光合作用系统，使其保持较高的光合效率，从而有利于植物的生长和产量提高。4、实验效果分析，间歇光照可能通过调节植物的生长激素分泌和细胞分裂速度，促进火龙果的枝条生长和叶片扩展。同时，良好的生长状态有助于植物更好地吸收和利用养分，为开花结果打下坚实基础。光照是影响植物开花结果的重要因素之一。间歇光照可能通过优化光信号传导途径和促进植物生长发育，提高火龙果的开花率和坐果率。此外，良好的生长状态还有助于提高果实的品质和产量，使火龙果更加饱满、甜美。综上所述，您所做的实验通过间歇光照的方式可能促进了火龙果的光合作用和生长发育平衡，从而提高了其生长速度和产量。然而，具体效果还需根据实验条件和植物品种等因素进行进一步验证和分析。