關(guān)山水庫(kù)水上光伏電站設(shè)計(jì)

0實(shí)驗(yàn)研究問(wèn)題國(guó)家提出，將新能源產(chǎn)業(yè)納入“十三五”戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，將新能源消耗和存儲(chǔ)能力提高，提出“碳高峰、碳中和”的新概念。為了在2030年達(dá)到峰值，2006年之前，我們必須實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。本站位于遼寧省開(kāi)原市關(guān)門(mén)山水庫(kù)，為遼寧大唐沈東熱電公司建設(shè)的50kW光伏發(fā)電科研示范項(xiàng)目工程，屬于純離網(wǎng)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目研究成果主要解決了寒區(qū)水面漂浮式光伏電站的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，主要包括：(1)光伏組件方位角和傾角的選擇。(2)適合東北寒冷地區(qū)水域的水面漂浮式光伏發(fā)電浮體型式的研究。(3)適合東北寒冷地區(qū)水域的水面漂浮式光伏的錨固系統(tǒng)的研究。1基本設(shè)計(jì)方案1.1組件數(shù)量、重量本站選擇晶科單晶光伏發(fā)電組件，組件單片功率460Wp，尺寸為2182mm×1029mm×35mm，組件數(shù)量為112塊，光伏陣列總?cè)萘繛?1.52kW。每塊組件重量為25.0kg，組件總重量為2800kg?，F(xiàn)場(chǎng)目前安裝1個(gè)光伏子陣，共7排，每排布置16塊光伏組件。1.2不布置浮體的裝置本站采用漂浮的安裝方式，浮體布置型式為浮體加金屬桿件的組合型式。浮體與浮體通過(guò)抱耳相互連接形成東西運(yùn)維通道，各運(yùn)維通道之間通過(guò)南北向金屬桿件相互鉸接形成一個(gè)浮動(dòng)的安裝基礎(chǔ)，再將光伏組件通過(guò)金屬支架安裝在這個(gè)浮動(dòng)的基礎(chǔ)上。為保證組件良好的通風(fēng)及水冷降溫效應(yīng)從而帶來(lái)發(fā)電量的最大提升，組件正下方不布置浮體?，F(xiàn)場(chǎng)光伏子陣排列現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。1.3直流電壓線路選用離并網(wǎng)儲(chǔ)能逆變器一體機(jī)，額定功率5kW，額定工作直流電壓360V，最大直流電壓600V，2路MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)輸入回路。逆變器接入2個(gè)組串支路，每個(gè)組串支路為8塊光伏組件串聯(lián)，2個(gè)組串支路共16塊組件。1.4沉錨形式設(shè)計(jì)結(jié)合本次試驗(yàn)項(xiàng)目體量小、投資少、冬季水下施工不便的特性，選用沉錨的形式進(jìn)行施工。錨塊尺寸1.1m×1.1m×0.5m，單個(gè)干重約1.5t，共22個(gè)。錨固繩索系泊半徑20m，單根繩長(zhǎng)25m，最大偏移量3.6m。2關(guān)鍵問(wèn)題研究2.1角和傾角選擇2.1.1方向的夾角方位角是太陽(yáng)能組件方陣的垂直面與正南方向的夾角。本站光伏組件支架采用固定式不可調(diào)運(yùn)行方式，光伏陣列朝向正南方向，方位角為0°，此時(shí)發(fā)電量是最大的2.1.2小傾角設(shè)計(jì)模型傾斜角是太陽(yáng)能組件方陣平面與水平地面的夾角。選擇光伏陣列的傾角，需考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件、組件支架的運(yùn)行方式、陣列的排布方式等多個(gè)因素之間的制約關(guān)系本站選擇的傾角有12°和20°兩種。其中，12°傾角目前被廣泛地應(yīng)用于水上光伏工程，主要原因是考慮水域面積廣闊，沒(méi)有構(gòu)筑物及植被的遮擋，由T/CPIA0017—2019《水上光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.2公式可知，傾角越大，計(jì)算面積越大，組件上承受的風(fēng)荷載越大，越容易造成設(shè)備傾覆，因此目前已經(jīng)投建的水上光伏項(xiàng)目，根據(jù)組件排列的距離不同，多選用5°、10°或12°的小傾角設(shè)計(jì)方案。=式中：——計(jì)算面積，光伏組件在正北側(cè)豎直方向的投影面積；——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；——方陣修正系數(shù)。通過(guò)PVsyst軟件進(jìn)行模擬，并考慮風(fēng)荷載、雪雨冰霜等影響，設(shè)計(jì)方提出使用20°傾角的方案，理由如下：(1)令傾角接近PVsyst軟件模擬計(jì)算值，即最佳傾角，大大提高了組件接收的太陽(yáng)輻照量，從而提高了單位面積年發(fā)電量。(2)有利于加快組件上的融雪速度和冰雪滑落。(3)由氣象部門(mén)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，開(kāi)源地區(qū)屬于季風(fēng)性大陸性氣候，春夏多西南風(fēng)，秋冬多西北風(fēng)，平均風(fēng)速在2.2～4.2m/s之間，最大風(fēng)速不超過(guò)5m/s(排除極端天氣情況)。本站是科研試點(diǎn)項(xiàng)目，工程體量小，組件數(shù)量少，經(jīng)過(guò)風(fēng)載計(jì)算和大量水上實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員得出結(jié)論，本項(xiàng)目組件不存在傾覆的危險(xiǎn)。為了對(duì)比不同傾角的效果，本站選擇了12°和20°兩種角度作對(duì)比試驗(yàn)，在冬季降雪之后，可直觀地看到兩者發(fā)電量的顯著差別。2.2浮體2.2.1漂浮式光催化劑的研制和運(yùn)行水上光伏有多種建設(shè)型式，國(guó)內(nèi)外已建項(xiàng)目普遍使用的建設(shè)型式見(jiàn)表1。浮體是漂浮式水面光伏漂浮系統(tǒng)的基礎(chǔ)，浮體的型式及使用材料也多種多樣，并隨著漂浮式水上光伏的發(fā)展在不斷地更新圖調(diào)整。各建設(shè)型式都有其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，各種漂浮系統(tǒng)的適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照見(jiàn)表2?？紤]工程體量、預(yù)算指標(biāo)、施工難度等因素，本站選用HDPE浮箱+支架式漂浮光伏系統(tǒng)。浮箱+支架形式較標(biāo)準(zhǔn)浮箱形式受力更合理，造價(jià)低，可有效解決節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低的問(wèn)題。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮波浪對(duì)漂浮系統(tǒng)的影響，合理設(shè)置構(gòu)造連接措施。2.2.2材料性能試驗(yàn)材料性能直接關(guān)系到浮體設(shè)計(jì)使用壽命。HDPE(高密度聚乙烯)是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外普遍使用的浮體材料，是一款具備抗衰老、抗老化的超長(zhǎng)耐候材料制作浮體的原材料有多項(xiàng)性能指標(biāo)，如溶指(決定原料的加工性)、密度、ESCR(即耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂，決定了浮體在水中長(zhǎng)期浸泡和應(yīng)力共同作用下的抗開(kāi)裂性能，劣質(zhì)或低ESCR材料使用在浮體中會(huì)留下長(zhǎng)期隱患，導(dǎo)致浮體開(kāi)裂漏水)和拉伸性能(老化前后的重要判斷依據(jù))。不同原料供應(yīng)廠家生產(chǎn)工藝不盡相同，市面上的HDPE原料質(zhì)量良莠不齊，本站選用了水面光伏設(shè)備新材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)室(CNAS認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室)研制加入了改性材料的新型HDPE產(chǎn)品，性能優(yōu)于同類(lèi)產(chǎn)品，在耐久性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面都有了很大提高。在母料方面，通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室的包括HDPE材料19項(xiàng)基本性能測(cè)試、耐化學(xué)試劑+拉伸測(cè)試、主成分定性分析、HDPE鹽霧測(cè)試、六階段紫外線老化性能測(cè)試等30余項(xiàng)系統(tǒng)性試驗(yàn)。材料性能直接關(guān)系到浮體設(shè)計(jì)使用壽命?，F(xiàn)代工藝生產(chǎn)的光伏發(fā)電組件的運(yùn)行壽命為25年，則浮體材料應(yīng)滿足至少25年的正常使用壽命。新材料的使用對(duì)電站的長(zhǎng)期正常穩(wěn)定運(yùn)行、檢修維護(hù)、投資的回收都起著至關(guān)重要的作用。2.3錨固定系統(tǒng)2.3.1錨固系統(tǒng)的作用及應(yīng)注意的問(wèn)題錨固系統(tǒng)是水面漂浮電站設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是漂浮系統(tǒng)、敷設(shè)系統(tǒng)、接地系統(tǒng)能夠可靠工作的關(guān)鍵點(diǎn)。錨固系統(tǒng)的作用有：控制漂移范圍、保證組件朝向、防止浮體掀翻傾覆，使漂浮光伏陣列具備抵抗外界環(huán)境(如大風(fēng)，暴雨及其他惡劣天氣)荷載的能力。一般錨固系統(tǒng)由錨固基礎(chǔ)、系泊纜、錨固桁架三部分組成2.3.2制定錨固方案由于每個(gè)工程都有其唯一性和特殊性，并結(jié)合水庫(kù)周邊情況、庫(kù)底土質(zhì)、施工成本等多個(gè)因素進(jìn)行考慮，因地制宜地制定出具體的錨固方案。將幾種可行的錨固方案進(jìn)行比選后，本站選用重力錨方案，錨固方案比選見(jiàn)表3。2.3.3重型過(guò)載方案(1)沉錨方案的制定根據(jù)之前的設(shè)計(jì)成果，考慮光伏陣列所受的風(fēng)荷載、水流、波浪等作用，制定出一個(gè)可操作性強(qiáng)、利于安全施工的沉錨方案。錨固系統(tǒng)方案布置示意見(jiàn)圖4，錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入、輸出見(jiàn)表3。(2)定位點(diǎn)冰面標(biāo)記破開(kāi)1)運(yùn)輸錨固塊的托運(yùn)車(chē)將錨固塊運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)岸邊吊車(chē)作業(yè)半徑內(nèi)，吊車(chē)將錨固塊放在倒運(yùn)冰車(chē)上。2)錨固定位人員先將定位點(diǎn)冰面做好標(biāo)記，再將標(biāo)記處冰面破開(kāi)。3)由于錨固塊重量高達(dá)1.5t，冰面凍層厚度不均勻，局部有可能出現(xiàn)冰面斷裂現(xiàn)象。為了保障施工安全，采用繩索牽引的方法，施工人員鋼絲拉線固定在錨固塊上，然后站在岸邊用繩索牽引運(yùn)輸冰車(chē)，將冰車(chē)牽引到錨固塊定位處。4)將錨固塊用繩索牽引投入水底。3技術(shù)的應(yīng)用情況本站屬于科研示范項(xiàng)目，其建設(shè)目的在于對(duì)新技術(shù)、新材料、新工藝的探索，本文共論述了水上光伏的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：(1)東北寒冷地區(qū)水面光伏的組件傾角的設(shè)計(jì)(新技術(shù))，首次使用20°傾角設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，大幅度提供了發(fā)電率。(2)新型浮體材料的應(yīng)用(新材料)，使用HDPE+改型