漂浮式光伏金屬浮體架臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究

黨瑩穎，甘樂，李宇飛，丁紅，趙作飛，張清華

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.中電投蒙東能源集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引言

近年來，水面漂浮式光伏以其獨特的優(yōu)勢逐漸得到廣大光伏發(fā)電投資者的認可和青睞。作為水面光伏電站的重要支撐平臺，浮體架臺是關(guān)系到整個光伏電站能否正常運行發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。浮體架臺必須具有良好的抗腐蝕、低密度、抗凍脹、抗風浪等特性與之匹配。目前，我國常見的漂浮式水面光伏電站多采用HDPE浮體。但是在東北等土地資源稀缺、山地條件惡劣的北方高寒區(qū)域，由于氣溫低、冰凍時間長、積雪厚度大等原因,浮體架臺的安全可靠性要求很高，致使漂浮式水面光伏電站一直未能實施。HDPE浮體在該區(qū)域應用面臨較大的考驗。

金屬浮體架臺受北方高寒區(qū)域氣候條件的影響較小，具有良好的延展性和韌性。適用于惡劣環(huán)境。缺點是成本稍高，因此如何優(yōu)化設(shè)計，減少金屬浮體架臺的結(jié)構(gòu)工程量是控制成本的關(guān)鍵。

1 金屬浮體架臺結(jié)構(gòu)

浮體架臺主要由浮體、底梁、立柱構(gòu)成。圖1為漂浮式光伏金屬浮體架臺的三維示意圖。

圖1 漂浮式光伏金屬浮體架臺三維示意圖

根據(jù)一般漂浮式光伏金屬浮體架臺各構(gòu)件的材料用量統(tǒng)計，立柱占總材料用量約8%，底梁占約30%，浮體占約60%，其他構(gòu)件占約2%。

優(yōu)化金屬浮體架臺的設(shè)計方案，應從優(yōu)化浮體和底梁的兩個主要構(gòu)件的設(shè)計入手，選擇安全可靠、經(jīng)濟適用的構(gòu)件型式。

2 浮體

2.1 浮體截面選型

金屬結(jié)構(gòu)浮體為了便于金屬構(gòu)件加工，其橫斷面一般為較規(guī)則的幾何形狀，如：半圓形、圓形和正方形等。為了分析不同截面的形式，本研究通過對比提供同樣大小浮力的不同形狀浮體的材料用量，以尋找出經(jīng)濟性較好的浮體截面。

浮體浮力計算：

其中，V排為排除流體的容積，可表示為V排=S*L，S為截面面積，L為浮體長度。

假定在極端工況下浮體全部沒入水中，當浮體長度相同時，不同截面形狀的浮體，若截面積S相同，則其浮力相同，但材料的用量卻不一定相同。材料用量可認為是浮體的表面積與浮體厚度的乘積，而浮體在截面面積和長度相同的情況下，表面積與截面周長成正相關(guān)。以半圓形、圓形和正方形為例，他們周長與截面面積的關(guān)系為：

半圓形周長： ；

圓形周長： ；

正方形周長：

取π=3.14，則L1：L2：L3=4.1:2.09:4

從材料用比可以看出，提供相同浮力時，正方形和半圓形截面材料用量基本相同，而圓形截面浮體材料用量最少，僅為正方形和半圓形截面材料用量的二分之一，在設(shè)計中應優(yōu)先選擇圓形截面。

2.2 浮體壁厚

金屬浮體的壁厚計算，不但要考慮浮體會受到漂浮物的沖擊或檢修船只的靠泊碰撞以及各種不利運行狀態(tài)時的受荷情況的影響。對于封閉體，金屬浮體的制作一般采用卷制和焊接，材料的壁厚必須同時滿足焊接的最小厚度要求。鋼板浮體壁厚一般還要增加腐蝕裕量1～3mm。

金屬材料較HDPE的密度大很多，以鋼材為例，其密度約是HDPE的7.8倍。金屬浮體壁厚對凈浮力影響較大，浮體很大一部分浮力都被自身重力所抵消，經(jīng)濟性較低。以鋼結(jié)構(gòu)浮體為例，當圓形截面直徑為300mm，長度為1000mm,不同的壁厚對凈浮力的影響。詳見表1。

表1 不同壁厚浮體的凈浮力對比

從表1中可以看出，浮體壁厚從3mm變?yōu)?mm后，單個的浮體能夠提供的凈浮力減小了約18%，增加用材料用量100%。

由此可見，金屬浮體應選用不銹鋼等自身防腐性能較好的材料。不銹鋼由于其表面一層薄而致密的富鉻氧化膜，使得不銹鋼具有以下優(yōu)點：

（1）可在-270℃～400℃的溫度下長期安全工作，無論是高溫還是低溫，都不會析出有害物質(zhì)，材料性能相當穩(wěn)定。

（2）安全無毒，無腐蝕和滲出物，無異味或混濁問題，不會對水質(zhì)造成二次污染，保持水質(zhì)純凈衛(wèi)生，衛(wèi)生安全性達到完全保證。

（3）不銹鋼具有耐腐蝕、強度高、變形不易破裂和環(huán)保性能，不易銹蝕，且具有良好的延展性和韌性。適用于惡劣環(huán)境（濕、酸堿等戶內(nèi)外環(huán)境）下使用。

不銹鋼的采用不銹鋼焊接外殼并填充泡沫的形式，可充分發(fā)揮不銹鋼的高強度、耐腐蝕、環(huán)保的優(yōu)點，能適應北方高寒區(qū)域氣候條件。

2.3 底梁設(shè)計

漂浮式浮體架臺與傳統(tǒng)地面光伏支架的區(qū)別在于：

（1）除受到風壓、雪壓外，還需要考慮波浪力和檢修人員在浮體上的施工荷載；且由于浮體在上浮和下沉過程中會產(chǎn)生的回復力，架臺受力狀況更為復雜。在漂浮式光伏金屬浮體架臺的設(shè)計過程中，通常將浮體架臺分成若干個模塊，模塊之間通過柔性連接件和錨固系統(tǒng)減少波浪力對浮體架臺的影響。因此，一般建設(shè)在內(nèi)陸水域的漂浮式光伏金屬浮體架臺的設(shè)計可暫不考慮波浪力對其產(chǎn)生的動力影響。重點關(guān)注浮體架臺在自重、風荷、雪荷、人群荷載以及施工荷載下的靜力分析，并充分考慮浮體上浮下沉對支座約束的影響。

（2）光伏板固定在浮體架臺上，浮體架臺在風浪作用下不規(guī)則的浮動，光伏板的安裝角度對浮體的安全穩(wěn)定性影響較大。故漂浮式水面光伏一般沒有嚴格按照最佳傾角來布置，而是根據(jù)項目所在水域的實際條件來選擇光伏組件的傾角。

為了分析底梁的受力情況，本研究建立了三種不同傾角條件下的漂浮式金屬底梁模型，采用相同的外部荷載條件和各構(gòu)件截面來進行計算對比。

由于各種金屬材料在受力情況下產(chǎn)生的應力、應變特征相似，且為了更好的對比不同情況下浮體架臺的受力情況，本文選用鋁合金作為構(gòu)件材質(zhì)進行分析。

鋁及鋁合金其它金屬材料相比，具有以下一些特點：①密度?。讳X及鋁合金的密度接近2.7g/m3，約為鐵或銅的1/3。

②強度高鋁及鋁合金的強度高；經(jīng)過一定程度的冷加工可強化基體強度,部分牌號的鋁合金還可以通過熱處理進行強化處理。

③導電導熱性好；鋁的導電導熱性能僅次于銀、銅和金。

④耐蝕性好鋁的表面易自然生產(chǎn)一層致密牢固的AL2O3保護膜，能很好的保護基體不受腐蝕。通過人工陽極氧化和著色，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。

⑤易加工添加一定的合金元素后，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。

2.3.1 荷載計算

（1）光伏板自重。組件板多晶硅板材，取尺寸為990mm×1650mm×40mm。單塊板重量為20kg，則光伏板計算荷載為：

（2）走道板自重。走道板為鋼格柵板，考慮每平米自重為36kg，計算荷載為：

（3）風壓荷載。

基本風壓： ；

地面粗糙度為B，由于浮體架臺高度不足5m，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[1]，風壓高度變化系數(shù)為：μz=1.0；

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797-2012）[2]，風荷載體型系數(shù)為：μs=1.3；

不考慮風振系數(shù)；

則風壓荷載標準值為：

（4）雪壓荷載。

基本雪壓： 。

由于漂浮式水面光伏傾角小于25°，故積雪分布系數(shù)為μr=1.0。

則雪壓荷載標準值為：

（5）施工荷載：取q=1kN。

2.3.2 底梁結(jié)構(gòu)建模

底梁根據(jù)其布置方向分為南北梁和東西梁，本研究選擇連續(xù)長條狀的浮體，檢修過道布置在浮體正上方。由于不同傾角對應的陰影面積不同，南北梁的長度及跨度隨著角度增大而增大，選取15°、20°和25°作為對比傾角，浮體架臺底梁布置示意圖如下：

圖2 浮體架臺底梁示意圖

鋁合金構(gòu)件截面一般為異性構(gòu)件，為方便計算，此處取其等效截面如下：

南北梁：方鋼42×30×1.65

東西梁：方鋼40×40×1.65

本計算模型采取兩種建模方式：第一種，假設(shè)浮體的剛度遠遠大于底梁的剛度，將浮體簡化為鉸支座計算；第二種，認為浮體的剛度不能忽略，將浮體簡化為彈簧支座計算。

浮體在水中上下振蕩時，水會對浮體產(chǎn)生垂蕩回復力，浮體在水中的運動類似于在彈簧上的運動，體現(xiàn)為浮體的垂蕩回復剛度ρgAw，其中Aw是浮體的水線面面積。本研究為了簡化計算，取在靜水自重情況下浮體吃水（一般為2/3吃水深度）的水線面面積，以此時的垂蕩回復剛度作為結(jié)構(gòu)建模時彈簧的剛度值K。

2.3.3 底梁建模計算

本研究采用STAAD.Pro V8i軟件進行建模計算，通過該軟件的有限元分析功能計算底梁的受力和變形。根據(jù)計算初步判斷：東西梁受力均小于1N/mm2，相對變形接近0，受力和變形都較小。因此，重點對南北梁的壓應力、拉應力及變形進行計算對比[3]。

（1）浮體簡化為鉸支座時的計算結(jié)果：

a.水面光伏15°、20°、25°三種狀態(tài)下最大應力發(fā)生在邊支座處；最大相對變形發(fā)生在跨中。

b.從表2和表3中可以看出：隨著角度的增加應力及相對變形相應加大，其中相對變形增加幅度較大。

表2 鉸支座風荷載組合計算結(jié)果

表3 鉸支座施工荷載組合計算結(jié)果

（2）浮體簡化為彈簧支座。

a.水面光伏15°、20°、25°三種狀態(tài)下最大應力發(fā)生在邊支座處；風荷載組合最大相對變形發(fā)發(fā)生在跨中，施工荷載組合相對變形發(fā)發(fā)生在邊跨懸臂端。

b.從表2和表3中可以看出：風荷載組合計算，隨著角度的增加壓，應力和相對變形相應加大，其中，相對變形增加幅度較大，壓應力和拉應力在角度由20°變?yōu)?5°時，發(fā)生突變；施工荷載組合計算，隨著角度的增加相對變形相應加大，應力和在角度由15°變?yōu)?0°時增加幅度較小，由20°變?yōu)?5°時，應力減少。

表4 彈簧支座風荷載組合計算結(jié)果

表5 彈簧支座施工荷載組合計算結(jié)果

2.3.4 計算成果分析

（1）將浮體簡化為鉸支座后，因為施工荷載加載在浮體正上方，施工荷載對浮體架臺幾乎無影響。由風荷載控制的效應設(shè)計值最大。

（2）將浮體簡化為彈簧支座時，隨著傾角變大，南北跨距變長，由風荷載控制的效應設(shè)計值逐步超過由施工荷載控制效應設(shè)計值。

（3）將浮體簡化為彈簧支座時，隨著傾角變大，南北跨距變長，由施工荷載控制效應設(shè)計值得到的應力逐漸變小，相對變形逐漸變大。

（4）兩種簡化建模方式，由風荷載控制的效應設(shè)計值得到的應力和相對變形都會隨著傾角的變大而變大。

（5）兩種簡化建模方式，由風荷載控制的效應設(shè)計值得到變形結(jié)果相近。簡化為彈簧支座的計算結(jié)果會略小于簡化為固定支座的計算結(jié)果。

2.3.5 設(shè)計要點總結(jié)

（1）在設(shè)計漂浮式底梁的南北梁和東西梁時，可忽略風荷載產(chǎn)生的水平力。東西梁只作為連接構(gòu)件，受力和變形都較小，可選擇較小截面的構(gòu)件。

（2）傾角大于20度時，浮體架臺的受力和變形增大幅度較大，設(shè)計時需要選擇截面慣性矩較大而自重較小的截面。

（3）不同截面浮體計算的差異性。

a.正方形截面浮體浮體在不同吃水深度時的水面線面積相同，簡化為彈簧支座的模型計算結(jié)果較為準確。

b.圓形、半圓形等截面的浮體來說，由于浮體在不同吃水深度時水面線面積不同，垂蕩回復剛度也隨之改變。半圓形截面會在吃水增大時增大垂蕩回復剛度，截面的浮體所簡化成的彈簧剛度會隨著荷載的增大而增大；圓形截面則相反，垂蕩回復剛度會隨著吃水增大而減小，模型中的彈簧剛度也隨之減小。因此，采用半圓形截面浮體的浮體架臺底梁，受力情況會介于兩種簡化模型得到的結(jié)果之間；采用圓形截面的浮體的浮體架臺底梁的受力情況計算建議采用極端情況下最大吃水時的垂蕩回復剛度作為模型彈簧的剛度。

3 結(jié)語

漂浮式光伏金屬浮體架臺因工程造價加高，目前在工程中運用的案例極少。本文以金屬浮體架臺能較好的適應北方高寒區(qū)域氣候條件為契機，通過漂浮式光伏金屬架臺組件的分析和研究，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，以優(yōu)化浮體截面入手，減少材料的用量；根據(jù)不同金屬材料的特點，提出以不銹鋼+鋁合金材料的優(yōu)化方案；針對不同的荷載組合工況分析，總結(jié)出應處理方法。

漂浮式光伏金屬浮體架臺的優(yōu)化設(shè)計可有效的降低工程成本，為其工程應用了一個新的思路。