浮管式光伏電站設(shè)計與施工技術(shù)

(中國電建集團 河北工程有限公司，河北 石家莊 050021)

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、確實的長壽命和免維護性等優(yōu)點，在能源戰(zhàn)略中具有重要地位。光伏發(fā)電安全可靠、無噪聲、無污染排放、建設(shè)周期短，是國家近年來大力推進的清潔能源之一。

1 常見水上光伏方案介紹

1.1 管樁式

管樁式一般為水底插入管樁，然后在最高水位以上安裝支架，安裝光伏組件等。優(yōu)點是工藝原理類似地面光伏電站，管樁穩(wěn)定性好，適合較淺湖蕩；缺點是插樁深度較深，施工難，打樁破壞湖蕩水底，存在今后因樁體酥爛而拔不出樁的情況。

1.2 漂浮式

浮塊式平臺：利用高密度聚乙烯材料制成浮體，浮體呈連鎖塊式組成漂浮平臺，光伏發(fā)電組件直接安裝在浮塊上，對水體覆蓋面積大，不易固定。

浮筒式平臺：利用密閉的不銹鋼桶產(chǎn)生浮力，用型鋼(兼光伏支架)連接到一起組成漂浮平臺，在型鋼上直接安裝支架及光伏組件，浮體大面積覆蓋水面，固定較難。

浮管式平臺：利用密閉的聚乙烯管作為浮體，管道浸入水中，固定管道的支架作為光伏組件支架，浮體不覆蓋水面，平面位置容易固定。

2 浮管式平臺設(shè)計方案

2.1 問題分析

浮動裝置分析：浮力一般通過設(shè)計都能達到。

浮動裝置之間連接：采用熱浸鋅C型鋼制成入水支架，將漂浮管固定，支架上安裝光伏支架。

耐久性問題：將塑料材料暴露在戶外，其吸收光的基團因吸收陽光而生成自由基，同時因氧的存在而被氧化，而且熱氧化過程可能與光氧化過程疊加在一起。在日光紫外線的作用下，伴隨空氣中的氧、臭氧、NO2、H2S、水等成分的影響，塑料材料的性能會逐漸下降，主要表現(xiàn)為變色、失光。隨著時間的推移則慢慢出現(xiàn)粉化、龜裂、剝離等現(xiàn)象。

2.2 解決方案

本方案的浮管添加抗氧化劑及光穩(wěn)定劑，提高了高密度聚乙烯(HDPE)抗老化性，同時采用內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，在外層中添加碳黑，能有效反射紫外線，在塑料外表覆膜或電鍍金屬，起到反光與隔離空氣的作用。本方案浮管浸入水中的設(shè)計，可有效避開陽光直射，隔絕空氣，減少氧化；多根管道設(shè)計，不會發(fā)生同時漏水造成下沉現(xiàn)象，耐久性能達30年以上。浮動平臺設(shè)計方案見圖1。

圖1 浮動平臺設(shè)計方案

2.3 方案介紹

防水：光伏組件離水面1.5 m，遠離濺水區(qū)，這不僅有利于通風(fēng)，而且能夠減少組件背板水汽結(jié)露，防止熱浸鋅支架受水銹蝕，增加水面透光而利于漁業(yè)養(yǎng)殖。

光伏組件：安裝于光伏C型鋼支架上，有利于施工和維修，平臺剛度大，穩(wěn)定性好，耐久性長。

浮筒耐久性四重保護：采用HDPE雙壁波紋管，雙層保護，耐酸耐堿耐高溫耐凍融；環(huán)剛度高，耐沖擊性強；添加碳黑、抗氧化劑、紫外光穩(wěn)定劑；沉于水底，隔絕空氣氧化。

隨水位自動升降及定位：設(shè)滑桿，插入蕩底2 m以上，并用斜索于4個方向固定，保持垂直，起到平臺定位以及防止平臺受風(fēng)載左右大幅度移動的作用，同時對平臺的上下浮動也起到滑桿作用，滑桿設(shè)最高限位，防止平臺在大風(fēng)時脫離滑桿。

防浮筒漏水平臺下沉：滑桿上設(shè)安全繩，防止浮筒漏水下沉及大風(fēng)時平臺離開滑桿?；瑮U設(shè)兩段，可套接伸長或縮短，防止平臺在很低水位時，滑桿的投影影響光伏板發(fā)電。

設(shè)掛養(yǎng)魚簍：魚簍內(nèi)設(shè)一泡沫自浮，平臺可增加魚蝦收獲，大風(fēng)時能阻止平臺脫離水面。平臺自重750 kg，不太可能出現(xiàn)脫離水面而被掀翻。

2.4 方案特點

本浮動平臺特點: 接觸水面面積小，每個平臺只有兩根管子接觸水面，對水體影響小，符合漁業(yè)養(yǎng)殖要求，并符合當(dāng)?shù)厮块T的要求。浮筒設(shè)3道防護，保證耐久性。防濺水設(shè)計、防大風(fēng)掀翻設(shè)計、自動隨水位升降設(shè)計、防漏水下沉設(shè)計，多重保護，確保安全。

浮動平臺的單元連接: 平臺與平臺間設(shè)鏈條連接，各個單元平臺自由波動，但又相互連接，防止桿件發(fā)生受力過大而破壞。

浮管的保養(yǎng): 浮管一般不會發(fā)生破壞，但應(yīng)加強日常的巡視。在二排單元平臺之間，都有1.8 m的通道，可以通過小船進入巡視。

浮管的拆裝與更換:由于浮動平臺設(shè)置了滑桿，在更換浮管時，只需將平臺荷載轉(zhuǎn)嫁到滑桿上，將浮管的壓桿放開，浮管就可以更換了。更換可以在現(xiàn)場進行。

浮管的維修: 若浮管發(fā)生滲漏，是可以維修的。塑料浮管可以進行電熱焊接密封，也可以通過塑料膠水補漏。

3 浮動平臺施工

3.1 水面施工平臺制作

本工程主要在水面上進行作業(yè)，作業(yè)施工平臺為若干自制式浮船相連，該浮船主要由40角鋼和容積為200 L的空柴油桶構(gòu)成。浮船示意圖如圖2所示。

圖2浮船示意圖

單個油桶最大浮力為F浮(單)=ρ水V排g=2 kN，浮船總浮力為32 kN，浮船重約492 kg，取安全系數(shù)為1.2，則浮船最大荷載為2.25 t。

3.2 平臺的固定

每個浮船上均裝有馬力為7的小型柴油機作為推動力，浮船到達工作水域后，根據(jù)施工作業(yè)面成排相互用繩子系牢，再綁扎在平臺滑桿上，使安裝作業(yè)水域布滿浮船作為施工平臺。

3.3 支架及組件安裝

漂浮式支架浮體由8根長度7 700 mm、直徑200 mm、壁厚6 mm的HDPE管組成。浮體共有2列，每列4根HDPE管自下而上排列，通過3組水平桿、豎向框架立柱、7 700 mm長浮體固定桿連接安裝，距2列HDPE管豎向框架立柱底2 198 mm處均安裝南北向通長浮管固定橫梁，南北向固定橫梁再與東西向3 600 mm長固定橫梁連接，使兩列浮管連接成一個整體。浮體組裝完成后，在上部安裝光伏組件支架及光伏組件。

漂浮式光伏組件可在靠近河塘的陸地碼頭處預(yù)先組合好，驗收合格后，將組合好單陣列組件通過站位在碼頭上的吊車吊到水面。一個陣列全部入水后通過動力船牽引到指定位置，按設(shè)計要求錨固在固定樁上。

3.4 漂浮式單陣列支架及組件入水吊裝

1)漂浮式支架及組件總質(zhì)量為

Q=Q支+Q組=1 072+405=1 477 (kg)

2)起重高度為

H=h1+h2+h3=3+0.5+1.7=5.2 (m)

式中：h1為漂浮陣列高度；h2為吊裝高度；h3為繩索高度。

3)參照常規(guī)汽車起重機性能表，選用8 t汽車起重機，其工作半徑為6.2 m時吊臂長度8.5 m，起重高度6.8 m，起重量為2.2 t，能夠滿足使用。

4)考慮到漂浮陣列的尺寸，起吊點取4處。吊索長度相同時，每根吊索與鉛垂線夾角相等，則每根鋼絲繩理論受力為

式中：Q總為起重物體質(zhì)量(起吊物質(zhì)量+吊鉤及繩索質(zhì)量)；n為繩子數(shù)；K為由鋼絲繩與鉛垂線夾角θ決定的系數(shù)。取安全系數(shù)為8，得鋼絲繩最小直徑d=8.6 mm。

綜上所述，使用普通直徑為15.5 mm，規(guī)格為“6×19+1”的鋼絲繩滿足要求。光伏組串完成圖如圖3所示。

圖3 漂浮式光伏組串完成圖

4 電纜敷設(shè)

4.1 敷設(shè)方式

全廠電纜敷設(shè)主要采用電纜橋架、線槽和架空的方式,施工特點是施工區(qū)域均在水上，施工時需搭建浮船平臺(見圖3)，如遇起風(fēng)天氣平臺會上下波動，增加施工難度。

4.2 敷設(shè)方法

電纜敷設(shè)時，電纜軸在組裝浮船平臺上要放置穩(wěn)妥，或經(jīng)現(xiàn)場實際測量出長度后，再在碼頭進行裁切，接著放置在浮船平臺上，放置質(zhì)量不能超出浮船載重的80%。施工人員在組裝的浮船平臺上進行施工，鋼軸的強度和長度要與電纜盤的質(zhì)量和寬度相配合，對較重的電纜軸考慮加剎車裝置。電纜要從電纜軸上端引出，不能使電纜在支架及地面上摩擦拖拉。

電纜敷設(shè)時，要排列整齊，盡量避免交叉，并聯(lián)使用的電力電纜的長度、型號、規(guī)格要相同。高壓電力電纜的終端頭或中間接頭附近留有1個電纜頭的備用長度。電纜敷設(shè)完畢后，要及時清除雜物，蓋好蓋板。

5 箱變平臺安裝

5.1 結(jié)構(gòu)形式

箱變平臺主要由預(yù)應(yīng)力方樁(管樁)和鋼結(jié)構(gòu)平臺兩大部分組成，平臺一般分為樁側(cè)梁層、平臺梁層、設(shè)備梁層3層結(jié)構(gòu)。平臺梁層上鋪花紋鋼板，平臺采用鋼欄桿圍護，箱變平臺鋼結(jié)構(gòu)材料主要在制作場放樣制作，在水上吊裝進行組裝。

5.2 平臺組裝

平臺施工時需搭建浮船平臺(見圖3)，用浮船平臺將鋼材運送至施工平臺處固定在預(yù)應(yīng)力方樁(管樁)上，利用5 t浮吊將平臺層、設(shè)備層鋼梁吊裝就位，然后點焊，所有鋼梁(柱)按設(shè)計拼裝完成后再進行滿焊，樁側(cè)梁層可利用倒鏈進行拼裝焊接。

6 箱變吊裝

箱變設(shè)備吊裝受工期、水位或周圍河道橋梁等因素的影響，較難使用制式的浮吊船進行吊裝作業(yè)，根據(jù)實際需要可在現(xiàn)場組裝一座浮吊船進行施工?，F(xiàn)以吊裝質(zhì)量為6 t的箱式變壓器為例，吊裝時采用載重噸位為174 t的大型平板船舶上固定1臺25 t汽車吊進行起重作業(yè)。施工前，將25 t汽車吊在碼頭駛上船舶，待吊車在船舶上就位且液壓支腿伸展完畢后，用10#槽鋼制成兩道門型框?qū)⒌踯嚸扛簤褐扰c船體焊接牢固，保證吊車不會因起吊過程中船體傾斜而滑動。吊裝前期準(zhǔn)備工作完成后，將箱式變壓器吊至平板船舶甲板上，平板船舶總長34.5 m、駕駛艙長5 m、汽車吊長12.5 m，船尾余留3 m可放置2臺箱式變壓器，箱變固定穩(wěn)妥后運輸至平臺處水域。進行吊裝時將平板船舶兩側(cè)固定地錨插入魚塘底部穩(wěn)定船身。見圖4及圖5。

圖4 箱變設(shè)備吊裝

圖5 箱變設(shè)備就位

7 結(jié)語

本文對水上光伏浮管式平臺設(shè)計方案進行了介紹，并對施工技術(shù)進行總結(jié)，從而達到優(yōu)化工藝，實現(xiàn)能源和生態(tài)持續(xù)發(fā)展的目的，同時為后續(xù)水上光伏項目的設(shè)計、施工提供了參考實例，也為深入研究浮管式平臺的可行性和進一步推廣提供實際數(shù)據(jù)。