一种海上光伏漂浮式基础结构及其施工方法

技术领域

本发明属于海上浮式基础技术领域，具体的说，是涉及一种用于支撑水上光伏发电系统的漂浮式基础结构及其施工方法。

背景技术

我国能源活动碳排放量占二氧化碳排放总量的88％左右，加快能源结构绿色低碳转型是推动“碳达峰、碳中和”的关键。如今土地成本日益增加，大面积征地实施光伏发电较困难，发展湖泊、水库、煤炭塌陷区乃至海上等漂浮式光伏项目受到越来越多的关注。与陆上光伏发电相比，海上光伏具有不占用陆上耕地林地面积、提高水域利用率、降低水蒸发等优势。海上光伏存在固定式与漂浮式两种基础型式，与固定式基础结构相比，漂浮式基础结构具有适用水深更大，回收更方便等优点。因此，发展海上光伏并且与海上风电进行互补将是未来海上新能源的重要方向。

由于海洋环境复杂恶劣，海上光伏漂浮式基础结构需要具有足够的强度和较小的刚度来抵御环境荷载。目前存在的漂浮式光伏基础多用于静水条件下，在波浪荷载下存在水平位移较大等问题，缺少降低波浪荷载对结构整体的影响的相关技术。

发明内容

本发明提供了一种海上光伏漂浮式基础结构及其施工方法，该基础结构能够充分利用水面空间，且在波浪环境中有效降低水平位移，在具备经济可行性和施工便利性的基础上，最终实现对海上光伏资源最大化使用。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种海上光伏漂浮式基础结构，包括外部环状浮体和内部网状浮体，所述外部环状浮体和所述内部网状浮体均由多个卧式浮筒和多个立式浮筒构成，所述卧式浮筒和所述立式浮筒交替布置并且柔性连接；每个所述卧式浮筒下方设置有第一阻尼结构，所述第一阻尼结构通过第一钢索与所述卧式浮筒连接；

所述外部环状浮体由所述卧式浮筒和所述立式浮筒在平面上连接为环状；所述外部环状浮体所围成的区域内设置有十字浮筒架，所述十字浮筒架的四个端部与所述外部环状浮体刚性连接；所述内部网状浮体设置在所述外部环状浮体与所述十字浮筒架之间，所述内部网状浮体与所述十字浮筒架和所述外部环状浮体均为柔性连接；所述内部网状浮体由所述卧式浮筒和所述立式浮筒在平面上连接为连续的方形网格；

所述外部环状浮体下方设置有第二阻尼结构，多个所述第二阻尼结构在环向上均匀布置；所述第二阻尼结构通过第二钢索与所述外部环状浮体中的所述立式浮筒连接，相邻两个所述第二阻尼结构之间间隔有若干所述立式浮筒；

进一步地，所述卧式浮筒为具有水平方向轴线的圆柱体结构，其长度为6～8m，直径为2～3m；所述立式浮筒为具有竖直方向轴线的圆柱体结构，其长度为2～3m，直径为2～3m。

进一步地，所述外部环状浮体通过环向均布的锚固系统与海床连接。

进一步地，所述十字浮筒架的水平截面呈十字形，竖直截面为圆形；所述十字浮筒架具有水平面上相互垂直的第一轴线和第二轴线，所述第一轴线和所述第二轴线交叉点与所述外部环状浮体的圆心重合；所述内部网状浮体中包括沿第一方向连接的卧式浮筒和沿第二方向连接的卧式浮筒，沿第一方向连接的卧式浮筒的轴线与所述十字浮筒架的第一轴线平行且与第二轴线垂直，沿第二方向连接的卧式浮筒的轴线与所述十字浮筒架的第二轴线平行且与第一轴线垂直。

进一步地，所述内部网状浮体以其卧式浮筒与所述十字浮筒架进行柔性连接，所述内部网状浮体与所述外部环状浮体以两者相靠近的立式浮筒进行柔性连接。

进一步地，所述第一阻尼结构为边长2～3m的正方体混凝土块；所述第二阻尼结构为边长8～10m的正方体混凝土块。

进一步地，所述第一阻尼结构通过两条所述第一钢索与所述卧式浮筒连接，两条所述第一钢索的上部固定于所述卧式浮筒底部两端，两条所述第一钢索的下部固定于所述第一阻尼结构的上表面中线两端，该中线与所述卧式浮筒的轴向平行。

进一步地，所述第二阻尼结构通过两条所述第二钢索与所述立式浮筒连接，两条所述第二钢索上部均固定在所述立式浮筒的底面形心位置，下部分别固定在所述第二阻尼结构的顶面对角顶点处。

进一步地，所述外部环状浮体和所述内部网状浮体的卧式浮筒用于安装光伏板，所述光伏板通过支撑杆固定在所述卧式浮筒的上方。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述海上光伏漂浮式基础结构的施工方法，包括如下步骤：

(1)将多个所述卧式浮筒和多个所述立式浮筒连接为所述外部环状浮体，并在所述外部环状浮体的所述卧式浮筒下方连接所述第一阻尼结构；

(2)在所述外部环状浮体所围成的区域内安装所述十字浮筒架和所述内部网状浮体，并在所述内部网状浮体的所述卧式浮筒下方连接所述第一阻尼结构；所述内部网状浮体与所述十字浮筒架刚性连接，所述内部网状浮体与所述外部环状浮体柔性连接；

此时，可以在每个所述卧式浮筒上方安装光伏板，并调整所述光伏板的角度；

(3)将步骤(2)得到的整体结构下水，并检查所述外部环状浮体、所述十字浮筒架和所述内部网状浮体的气密性；

(4)在保证气密性的前提下，通过拖船将步骤(3)得到的整体结构运输至目标海域；

(5)拖船到达目标海域后抛锚定位，将所述外部环状浮体通过锚固系统与海床连接，并调节所述锚固系统的预张力至设计张力；

(6)在所述外部环状浮体上安装所述第二阻尼结构，使得基础结构达到设计吃水深度。

本发明的有益效果是：

本发明的海上光伏漂浮式基础结构及其施工方法，通过卧式浮筒和立式浮筒按照特定方式排列提供浮力，并且由阻尼结构使基础结构的运动限制在一定的范围内，能够在保证基础结构整体强度的同时降低基础结构刚度，使基础结构在复杂的海洋环境荷载作用下具有更加良好的运动性能用，同时充分利用了水面空间，保证光伏资源发电效率最大化。

附图说明

图1为本发明所提供海上光伏漂浮式基础结构的结构示意图；

图2为本发明所提供海上光伏漂浮式基础结构中卧式浮筒、立式浮筒、阻尼结构和光伏板的连接示意图；

图3为本发明所提供海上光伏漂浮式基础结构的俯视示意图；

图4为本发明所提供海上光伏漂浮式基础结构的主视示意图；

图5为本发明所提供海上光伏漂浮式基础结构的阵列示意图。

上述图中：1、卧式浮筒；2、立式浮筒；3、第一阻尼结构；4、十字浮筒架；5、第一钢索；6、光伏板；7、第二阻尼结构；8、第二钢索；9、锚固系统。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图5所示，本发明提供了一种海上光伏漂浮式基础结构，用于布置在光照条件优良的目标海域(通常直径大于100m)，以实现对光能资源的充分利用。海上光伏漂浮式基础结构主要包括外部环状浮体、内部网状浮体，第一阻尼结构3，十字浮筒架4，第二阻尼结构7，锚固系统9。

外部环状浮体和内部网状浮体均由多个卧式浮筒1和多个立式浮筒2构成。卧式浮筒1为橡胶或硬塑料材质制成的圆柱体结构，其轴线为水平方向，通常长度为6～8m，直径为2～3m。立式浮筒2为橡胶或硬塑料材质制成的圆柱体结构，其轴线为竖直方向，通常长度为2～3m，直径为2～3m。

外部环状浮体由交替布置的卧式浮筒1和立式浮筒2在平面上连接为封闭的环状。交替布置是指每相邻两个卧式浮筒1之间设置一个立式浮筒2，因此外部环状浮体中的卧式浮筒1和立式浮筒2数量相同。优选地，外部环状浮体的直径为50～100m。

十字浮筒架4和内部网状浮体设置在外部环状浮体所围成的区域内，十字浮筒架4作为内部框架对外部环状浮体起到支撑作用，内部网状浮体设置在十字浮筒架4与外部环状浮体之间区域，使得空间利用率及光伏利用率达到最高。

十字浮筒架4的水平截面呈十字形，竖直截面通常为1～2m直径的圆形。可见，十字浮筒架4具有水平面上相互垂直的第一轴线和第二轴线。十字浮筒架4内部每隔3～5m布置一块分舱板，使十字浮筒架4分成多个舱室，以确保十字浮筒架4在局部破损条件下依旧具备浮稳性。十字浮筒架4的第一轴线和第二轴线交叉点与外部环状浮体的圆心重合，并且十字浮筒架4的四个端部分别与外部环状浮体中的卧式浮筒1或立式浮筒2进行刚性连接，从而起到支撑骨架的作用。

内部网状浮体由交替布置的卧式浮筒1和立式浮筒2在平面上连接为连续的方形网格，其方形网格以卧式浮筒1为边且以立式浮筒2为顶点。方形网格的数量根据外部环状浮体与十字浮筒架4之间的区域大小决定。内部网状浮体中包括沿第一方向连接的卧式浮筒1和沿第二方向连接的卧式浮筒1，其中沿第一方向连接的卧式浮筒1的轴线与十字浮筒架4的第一轴线平行且与第二轴线垂直，其中沿第二方向连接的卧式浮筒1的轴线与十字浮筒架4的第二轴线平行且与第一轴线垂直。

在外部环状浮体和内部网状浮体中，卧式浮筒1与立式浮筒2之间均为通过柔性连接件连接，柔性连接件一端连接在卧式浮筒1端部的中心位置，另一端连接在立式浮筒2最靠近于所连接卧式浮筒1侧壁的轴向中心点。柔性连接件长度优选为1～2m。柔性连接件可以选用钢索、钢丝绳、高强度合成纤维绳索等。

内部网状浮体与十字浮筒架4和外部环状浮体均为柔性连接。作为一种优选的实施方式，内部网状浮体以其卧式浮筒1与十字浮筒架4进行连接，柔性连接件一端固定于内部网状浮体最外侧的卧式浮筒1端部，另一端固定于十字浮筒架4侧壁中部。作为一种优选的实施方式，内部网状浮体和外部环状浮体以两者中相靠近的立式浮筒2进行连接，柔性连接件的两端分别固定于两个立式浮筒2相互最靠近侧壁的轴向中心点。柔性连接件可以选用钢索、钢丝绳、高强度合成纤维绳索等。

上述内部网状浮体、外部环状浮体和十字浮筒架4的连接方式，能够在保证基础结构整体强度的同时降低基础结构刚度，使基础结构在波浪条件多变的环境中也可适用，同时使空间及光伏资源的利用率达到最高。

第一阻尼结构3一般为边长2～3m的正方体混凝土块，一一对应地在卧式浮筒1下方。外部环状浮体和内部网状浮体中的每个卧式浮筒1通过两条第一钢索5与第一阻尼结构3连接，两条第一钢索5的上部固定于卧式浮筒1底部两端，下部固定于第一阻尼结构3的上表面中线两端，该中线与卧式浮筒1的轴向平行。在波浪荷载作用下，第一阻尼结构3可有效降低卧式浮筒1的水平位移，减小卧式浮筒1在波浪环境中运动响应，起到消波的作用。

外部环状浮体下方还垂挂有第二阻尼结构7，多个第二阻尼结构7在环向上均匀布置。第二阻尼结构7一般为边长8～10m的正方体混凝土块。第二阻尼结构7通过两条第二钢索8与外部环状浮体中的立式浮筒2连接，两条第二钢索8上部均固定在立式浮筒2的底面形心位置，下部分别固定在第二阻尼结构7的顶面对角顶点处。优选地，相邻两个第二阻尼结构7之间间隔有3～5个立式浮筒2。第二阻尼结构7用于使基础结构的整体重心降低，保证基础结构在复杂的海洋环境下具有稳定性，同时能够减小基础结构整体在波浪荷载下的水平位移。

外部环状浮体和内部网状浮体上部用于安装光伏发电装置。光伏发电装置的光伏板6一一对应地设置在卧式浮筒1上方，并可以通过支撑杆与卧式浮筒1连接。支撑杆一端与光伏板6底部中心固定，另一端与卧式浮筒1的上表面中间位置固定。每个光伏板6的尺寸以相邻光伏板6之间不遮挡光线来确定。

基础结构连接多个锚固系统9，锚固系统9用于将基础结构的运动限制在一定范围内。锚固系统9包括锚链和位于海床上的锚泊结构，如吸力锚、重力锚等。3～4条锚链沿外部环状浮体环向均布，锚链一端外部环状浮体的立式浮筒2底面形心位置连接，另一端通过锚泊结构固定于海床。

本发明实施例提供的一种海上光伏漂浮式基础结构，其施工方法包括如下步骤：

(1)将卧式浮筒1、立式浮筒2连接为外部环状浮体，并在外部环状浮体的卧式浮筒1下方连接第一阻尼结构3。

(2)在外部环状浮体所围成的区域内安装十字浮筒架4和内部网状浮体，并在内部网状浮体的卧式浮筒1下方连接第一阻尼结构3；其中，十字浮筒架4与外部环状浮体为刚性连接，内部网状浮体与十字浮筒架4和外部环状浮体均为柔性连接。

(3)在每个卧式浮筒1上安装光伏板6，并根据最优发电效率调整光伏板6的角度。

(4)将步骤(3)得到的整体结构下水，并检查外部环状浮体、十字浮筒架4和内部网状浮体的气密性。

(5)在保证气密性的前提下，通过拖船将步骤(4)得到的整体结构运输至目标海域。

(6)拖船到达目标海域后抛锚定位，通过锚固系统9将外部环状浮体与海床连接，并调节锚固系统9的预张力至设计张力；

(7)在外部环状浮体上安装第二阻尼结构7，使得基础结构在第二阻尼结构7的作用下达到设计吃水深度。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。