(中國(guó)電建集團(tuán) 河北工程有限公司，河北 石家莊 050021)

太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，在能源戰(zhàn)略中具有重要地位。光伏發(fā)電安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染排放、建設(shè)周期短，是國(guó)家近年來(lái)大力推進(jìn)的清潔能源之一。

1 常見(jiàn)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(diǎn)是工藝原理類(lèi)似地面光伏電站，管樁穩(wěn)定性好，適合較淺湖蕩；缺點(diǎn)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(tái)：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(tái)，光伏發(fā)電組件直接安裝在浮塊上，對(duì)水體覆蓋面積大，不易固定。

浮筒式平臺(tái)：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(tái)，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(tái)：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(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1 問(wèn)題分析

浮動(dòng)裝置分析：浮力一般通過(guò)設(shè)計(jì)都能達(dá)到。

浮動(dòng)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(wèn)題：將塑料材料暴露在戶(hù)外，其吸收光的基團(tuán)因吸收陽(yáng)光而生成自由基，同時(shí)因氧的存在而被氧化，而且熱氧化過(guò)程可能與光氧化過(guò)程疊加在一起。在日光紫外線(xiàn)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(huì)逐漸下降，主要表現(xiàn)為變色、失光。隨著時(shí)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(shí)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(xiàn)，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(jì)，可有效避開(kāi)陽(yáng)光直射，隔絕空氣，減少氧化；多根管道設(shè)計(jì)，不會(huì)發(fā)生同時(shí)漏水造成下沉現(xiàn)象，耐久性能達(dá)30年以上。浮動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 浮動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.3 方案介紹

防水：光伏組件離水面1.5 m，遠(yuǎn)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(tái)剛度大，穩(wěn)定性好，耐久性長(zhǎng)。

浮筒耐久性四重保護(hù)：采用HDPE雙壁波紋管，雙層保護(hù)，耐酸耐堿耐高溫耐凍融；環(huán)剛度高，耐沖擊性強(qiáng)；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(dòng)升降及定位：設(shè)滑桿，插入蕩底2 m以上，并用斜索于4個(gè)方向固定，保持垂直，起到平臺(tái)定位以及防止平臺(tái)受風(fēng)載左右大幅度移動(dòng)的作用，同時(shí)對(duì)平臺(tái)的上下浮動(dòng)也起到滑桿作用，滑桿設(shè)最高限位，防止平臺(tái)在大風(fēng)時(shí)脫離滑桿。

防浮筒漏水平臺(tái)下沉：滑桿上設(shè)安全繩，防止浮筒漏水下沉及大風(fēng)時(shí)平臺(tái)離開(kāi)滑桿。滑桿設(shè)兩段，可套接伸長(zhǎng)或縮短，防止平臺(tái)在很低水位時(shí)，滑桿的投影影響光伏板發(fā)電。

設(shè)掛養(yǎng)魚(yú)簍：魚(yú)簍內(nèi)設(shè)一泡沫自浮，平臺(tái)可增加魚(yú)蝦收獲，大風(fēng)時(shí)能阻止平臺(tái)脫離水面。平臺(tái)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(diǎn)

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

浮動(dòng)平臺(tái)的單元連接: 平臺(tái)與平臺(tái)間設(shè)鏈條連接，各個(gè)單元平臺(tái)自由波動(dòng)，但又相互連接，防止桿件發(fā)生受力過(guò)大而破壞。

浮管的保養(yǎng): 浮管一般不會(huì)發(fā)生破壞，但應(yīng)加強(qiáng)日常的巡視。在二排單元平臺(tái)之間，都有1.8 m的通道，可以通過(guò)小船進(jìn)入巡視。

浮管的拆裝與更換:由于浮動(dòng)平臺(tái)設(shè)置了滑桿，在更換浮管時(shí)，只需將平臺(tái)荷載轉(zhuǎn)嫁到滑桿上，將浮管的壓桿放開(kāi)，浮管就可以更換了。更換可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(jìn)行電熱焊接密封，也可以通過(guò)塑料膠水補(bǔ)漏。

3 浮動(dòng)平臺(tái)施工

3.1 水面施工平臺(tái)制作

本工程主要在水面上進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)施工平臺(tái)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(gè)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(tái)的固定

每個(gè)浮船上均裝有馬力為7的小型柴油機(jī)作為推動(dòng)力，浮船到達(dá)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(tái)滑桿上，使安裝作業(yè)水域布滿(mǎn)浮船作為施工平臺(tái)。

3.3 支架及組件安裝

漂浮式支架浮體由8根長(zhǎng)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(guò)3組水平桿、豎向框架立柱、7 700 mm長(zhǎng)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(zhǎng)浮管固定橫梁，南北向固定橫梁再與東西向3 600 mm長(zhǎng)固定橫梁連接，使兩列浮管連接成一個(gè)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(yàn)收合格后，將組合好單陣列組件通過(guò)站位在碼頭上的吊車(chē)吊到水面。一個(gè)陣列全部入水后通過(guò)動(dòng)力船牽引到指定位置，按設(shè)計(jì)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(chē)起重機(jī)性能表，選用8 t汽車(chē)起重機(jī)，其工作半徑為6.2 m時(shí)吊臂長(zhǎng)度8.5 m，起重高度6.8 m，起重量為2.2 t，能夠滿(mǎn)足使用。

4)考慮到漂浮陣列的尺寸，起吊點(diǎn)取4處。吊索長(zhǎng)度相同時(shí)，每根吊索與鉛垂線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)槽和架空的方式,施工特點(diǎn)是施工區(qū)域均在水上，施工時(shí)需搭建浮船平臺(tái)(見(jiàn)圖3)，如遇起風(fēng)天氣平臺(tái)會(huì)上下波動(dòng)，增加施工難度。

4.2 敷設(shè)方法

電纜敷設(shè)時(shí)，電纜軸在組裝浮船平臺(tái)上要放置穩(wěn)妥，或經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量出長(zhǎng)度后，再在碼頭進(jìn)行裁切，接著放置在浮船平臺(tái)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(tái)上進(jìn)行施工，鋼軸的強(qiáng)度和長(zhǎng)度要與電纜盤(pán)的質(zhì)量和寬度相配合，對(duì)較重的電纜軸考慮加剎車(chē)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(shí)，要排列整齊，盡量避免交叉，并聯(lián)使用的電力電纜的長(zhǎng)度、型號(hào)、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(gè)電纜頭的備用長(zhǎng)度。電纜敷設(shè)完畢后，要及時(shí)清除雜物，蓋好蓋板。

5 箱變平臺(tái)安裝

5.1 結(jié)構(gòu)形式

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

5.2 平臺(tái)組裝

平臺(tái)施工時(shí)需搭建浮船平臺(tái)(見(jiàn)圖3)，用浮船平臺(tái)將鋼材運(yùn)送至施工平臺(tái)處固定在預(yù)應(yīng)力方樁(管樁)上，利用5 t浮吊將平臺(tái)層、設(shè)備層鋼梁吊裝就位，然后點(diǎn)焊，所有鋼梁(柱)按設(shè)計(jì)拼裝完成后再進(jìn)行滿(mǎn)焊，樁側(cè)梁層可利用倒鏈進(jìn)行拼裝焊接。

6 箱變吊裝

箱變?cè)O(shè)備吊裝受工期、水位或周?chē)拥罉蛄旱纫蛩氐挠绊?，較難使用制式的浮吊船進(jìn)行吊裝作業(yè)，根據(jù)實(shí)際需要可在現(xiàn)場(chǎng)組裝一座浮吊船進(jìn)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(shí)采用載重噸位為174 t的大型平板船舶上固定1臺(tái)25 t汽車(chē)吊進(jìn)行起重作業(yè)。施工前，將25 t汽車(chē)吊在碼頭駛上船舶，待吊車(chē)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(mén)型框?qū)⒌踯?chē)每根液壓支腿與船體焊接牢固，保證吊車(chē)不會(huì)因起吊過(guò)程中船體傾斜而滑動(dòng)。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(zhǎng)34.5 m、駕駛艙長(zhǎng)5 m、汽車(chē)吊長(zhǎng)12.5 m，船尾余留3 m可放置2臺(tái)箱式變壓器，箱變固定穩(wěn)妥后運(yùn)輸至平臺(tái)處水域。進(jìn)行吊裝時(shí)將平板船舶兩側(cè)固定地錨插入魚(yú)塘底部穩(wěn)定船身。見(jiàn)圖4及圖5。

圖4 箱變?cè)O(shè)備吊裝

圖5 箱變?cè)O(shè)備就位

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)水上光伏浮管式平臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，并對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，從而達(dá)到優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)能源和生態(tài)持續(xù)發(fā)展的目的，同時(shí)為后續(xù)水上光伏項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工提供了參考實(shí)例，也為深入研究浮管式平臺(tái)的可行性和進(jìn)一步推廣提供實(shí)際數(shù)據(jù)。