一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置的制作方法

1.本发明涉及近海结构与光伏发电结构领域，具体地说是一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置。

背景技术：

2.众所周知,传统陆地光伏电站存在永久占地面积大的弊端,有些光伏电站为减少光伏组件间的遮挡，需增大组件间的前后间距,更导致整个光伏电站占地面积扩大两到三倍。而我国人多地少,土地资源极其宝贵,可供大规模开发太阳能光伏电站的土地资源稀少。土地资源的短缺直接制约着太阳能发电技术的发展,解决土地资源稀少与大力发展太阳能发电两者的矛盾迫在眉睫。
3.相关技术中，中国专利申请号cn114228929a，公开了一种用于海上光伏发电的张力腿海洋平台。包括张力腿、平台拉索、横向拉索、活动平台、平台浮箱、斜向拉索、中央立柱、弧形撑管、连接节点以及径向拉索组成；弧形撑管与横向拉索、斜向拉索相连接，组成主体张拉整体结构。张力腿一端连接弧形撑管，一端固定于海底，消耗部分剩余浮力构成三棱柱式张紧结构。平台拉索将平台浮箱与底部横向拉索连接，通过剩余浮力将其绷紧并构成张紧结构。中央立柱安装于活动平台，其顶端通过径向拉索与弧形撑管相连接；相关技术的不足在于，建造成本过高，难以成片建造，存在较大面积的阴面，用于光伏发电效率过低。
4.相关技术中，中国专利公开号cn103795328a，公开了一种水面漂浮式密集型光伏发电装置，包括多个光伏发电单元，光伏发电单元包括支撑支架和水面漂浮装置，水面漂浮装置上通过抱箍固定支撑支架，支撑支架为三角形框架结构，支撑支架的一个斜面为光伏组件安装面，光伏组件安装面上固定多个光伏组件。支撑支架底部的支撑梁上设有连接卡扣，光伏发电单元之间通过连接卡扣连接成一体。相关技术的不足在于，支撑支架结构过于简单，仅通过卡扣进行连接，当处于海面恶劣气候条件下，成片的装置受风浪影响巨大，卡扣及支撑支架很容易疲劳破坏。
5.此外，陆地上采用的与本技术类似的光伏发电索杆机构需要以立柱为支撑并通过绳索辅助固定于地面，难以安装于海面，无法应用于海洋环境下。
6.因此，本技术克服上述现有技术中的弊端，在此基础上对其结构进行改进，提供一种新的用于海上光伏发电的组合式海上光伏发电装置解决上述问题。

技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置，利用索杆结构降低装置重量，减少制作成本，通过光伏穹顶增加光伏板单位面积覆盖率，提高太阳能吸收率。
8.为了达到上述目的，本发明提供了一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置。通过索和杆张拉成形构成底部浮式框架，可降低材料成本，减少装置重量并保持一定的承载能力。应用四棱锥式索穹顶结构增加了的光伏板的单位面积覆盖率，同时，多组装置进行组
合形成波浪面结构，其谷面可对折射的太阳能进行二次吸收，提高太阳能吸收率。
9.本发明提供的一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置包含可漂浮于海面的浮式框架，安装于浮式框架上方的光伏穹顶，以及将整体装置固定于海面的系泊系统。多组海上光伏发电装置组合后呈波浪面，其谷面通过光伏穹顶的相互折射可提高太阳能吸收率。所述的浮式框架利用装配式浮力球提供主要浮力，两组浮式框架间通过侧面的四根连接索相连，四个光伏穹顶呈两行两列均布于每个浮式框架上方，整个装置通过系泊缆绳固定于海面。
10.所述的浮式框架包括九组v形压杆，十八个节点，九根垂向拉索，十二根纵向拉索，九个装配式浮力球和十二根横向拉索。九组v形压杆构成整体骨架，上表面由九个节点、六根纵向拉索、六根横向拉索构成田字形结构，下表面同样由九个节点、六根纵向拉索、六根横向拉索构成对应的田字形结构，九根垂向拉索将上下相互对应的九组节点连接。所述的v形压杆由两根铰接的压杆组成，此处开口向上的v形压杆称为正向v形压杆，开口向下则称为逆向v形压杆；所述浮式框架的九组v形压杆垂直于水平面，自左向右按正向、逆向、正向的顺序纵向布置v形压杆，自前向后按逆向、正向、逆向的顺序横向布置v形压杆，九组v形压杆通过拉索连接各节点且两两互不相交。
11.所述的光伏穹顶包括八条环向拉索，十二条径向上拉索，九根垂向压杆，十二条径向下拉索，太阳能光伏板，上端节点和下端节点组成；所述的光伏穹顶整体呈四棱锥形，其底部四角分别由一条径向上拉索与一条径向下拉索连接至浮式框架对应的节点，顶部布置一根垂向压杆，四条棱各按长度均布两根垂向压杆。所述的太阳能光伏板布置于光伏穹顶四个的三角形侧面。
12.所述的系泊系统包括系泊缆绳和连接索，所述的连接索连接相邻两组装置侧面的节点，所述的系泊缆绳一端固定于海底，一端连接于海上光伏发电装置底部最外侧的节点，整体呈一定的角度倾斜，将用于连接的连接索拉起，使两组相邻浮式框架间保持一定间距。
13.上述的浮式框架上下方所有的纵向拉索和横向拉索长度相同，中间以v形压杆支撑，通过减小垂向拉索长度对整体结构施加预应力，此时上下两侧的横向拉索所连接的中间节点高于两边节点，中间的横向拉索所连接的中间节点低于上下两侧中间节点但高于中间的两边节点，所述的中间的两边节点低于上下两侧的两边节点。
14.上述的装配式浮力球安装于垂向拉索中部，其装配后的外形呈球形，由四个四分之一球形的浮体通过浮体滑槽与浮体滑轨装配组成浮力球体，浮力球体表面设有防滑卡槽，固定钢箍通过防滑卡槽安装于浮力球体表面，固定节点位于固定钢箍的交点处并通过固定拉索与节点连接。
15.上述的浮体为包括两个平面及一个曲面的四分之一球体，浮体滑槽与浮体滑轨分别设置于两个平面，两个平面的夹角处设有用于穿过垂向拉索的弧形凹槽，所述的防滑卡槽由四个呈井字形布置的圆形卡槽组成，于浮力球体上半球面与下半球面各有四个交点。
16.上述的顶部垂向压杆的上端节点与四条径向上拉索相连，下端节点与四条径向下拉索相连；其余八根垂向压杆的上端节点与两条径向上拉索及一条径向下拉索相连，下端节点与两条环向拉索及一条径向下拉索相连。
17.上述的位于同一平面的四条环向拉索首尾相连，形成一个正四边形，所述的每个光伏穹顶最外围与浮式框架共用四个节点两条纵向拉索及两条横向拉索。
18.上述的所有垂向拉索、纵向拉索、横向拉索、环向拉索、径向上拉索和径向下拉索只受拉力，所有v形压杆和垂向压杆只受压力。
19.与相关技术相比，本发明有益效果如下：（1）所述的浮式框架是由v形压杆和多条索张拉成形的特殊张拉整体结构，该结构具有较大的承载能力，同时其自重轻，变形能力好，空隙间距非常大，对波浪的遮挡效应低，可应对海上复杂气候环境；（2）所述的光伏穹顶与浮式框架巧妙结合，共用多个节点与多条拉索，在保证结构完整性的同时，节省了大量材料；（3）所述的浮式框架整体呈中间高四角低的形状，多组并排组合后形成凹凸不平的波浪面，每两组间形成一个凹面，加之四棱锥形的光伏穹顶，当光线到达一定角度后则会反射到另一面，从而达到聚光作用；（4）所述的装配式浮力球通过四个浮体装配而成，可在不影响垂向拉索的情况下进行装配，其结构简单实用，组装便捷，对垂向拉索具有一定的保护作用；（5）索、杆、节点、浮力球等构件或部件的标准化程度高，可工厂化生产，现场装配，装配效率高，建造成本低，后期破损部件更换方便；组合式索杆结构的海上光伏发电装置的出现，丰富了现有海上光伏发电装置的类型，拓宽了索杆结构的应用范围。具体优点包括：耗材低、质量轻、结构稳定、变形能力好，标准化程度高。
附图说明
20.图1为本发明的三维示意图；图2为本发明的主视图图3为本发明浮式框架的三维示意图；图4为本发明光伏穹顶的三维示意图；图5为本发明装配式浮力球的三维剖视图；图6为本发明浮式框架计算机模拟成形图；图7为本发明浮式框架迭代计算结果图；图8为本发明的另一种实施方案的主视图。
21.图中标记如下：1-v形压杆，2-节点，3-垂向拉索，4-纵向拉索，5-浮力装置，6-横向拉索，7-系泊缆绳，8-环向拉索，9-径向上拉索，10-垂向压杆，11-径向下拉索，12-太阳能光伏板，13-上端节点，14-下端节点，15-连接索，16-固定拉索，17-浮体滑槽，18-浮体，19-防滑卡槽，20-固定钢箍，21-固定节点，22-浮体滑轨。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
23.如图1-2所示，本发明提供的一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置包含可漂浮于海面的浮式框架，安装于浮式框架上方的光伏穹顶，以及将整体装置固定于海面的系泊系统。多组海上光伏发电装置组合后呈波浪面，其谷面通过光伏穹顶的相互折射可提高
太阳能吸收率。所述的浮式框架利用装配式浮力球5提供主要浮力，两组浮式框架间通过四根连接索15将侧面的四个节点2相连，四个光伏穹顶呈两行两列均布于每个浮式框架上方，整个装置通过系泊缆绳7固定于海面。所述的系泊缆绳7一端固定于海底，一端连接于海上光伏发电装置底部最外侧的节点2，整体呈一定的角度倾斜，将用于连接的连接索15拉起，使两组相邻浮式框架间保持一定间距。
24.如图3所示，九组v形压杆1构成整体骨架，上表面由九个节点2、六根纵向拉索4、六根横向拉索6构成田字形结构，下表面同样由九个节点2、六根纵向拉索4、六根横向拉索6构成对应的田字形结构，九根垂向拉索3将上下相互对应的九组节点2连接。v形压杆1由两根铰接的压杆组成，此处开口向上的v形压杆1称为正向v形压杆1，开口向下则称为逆向v形压杆1。浮式框架的九组v形压杆1垂直于水平面，自左向右按正向、逆向、正向的顺序纵向布置v形压杆1，自前向后按逆向、正向、逆向的顺序横向布置v形压杆1，九组v形压杆1通过拉索连接各节点且两两互不相交。浮式框架上下方所有的纵向拉索4和横向拉索6长度相同，中间以v形压杆1支撑，通过减小垂向拉索3长度对整体结构施加预应力，此时上下两侧的横向拉索6所连接的中间节点2高于两边节点2，中间的横向拉索6所连接的中间节点2低于上下两侧中间节点2但高于中间的两边节点2，所述的中间的两边节点2低于上下两侧的两边节点2。装配式浮力球5安装于浮式框架四条棱位置的垂向拉索3，其外形呈球形，球表有卡槽，由多股绳索穿过卡槽将装配式浮力球5固定，所有装配式浮力球5均位于同一平面。
25.如图4所示，光伏穹顶整体呈四棱锥形，其底部四角分别由一条径向上拉索9与一条径向下拉索11连接至浮式框架对应的节点2，顶部布置一根垂向压杆10，四条棱各按长度均布两根垂向压杆10。所述的太阳能光伏板12布置于光伏穹顶四个的三角形侧面。顶部垂向压杆10的上端节点13与四条径向上拉索9相连，下端节点14与四条径向下拉索11相连；其余八根垂向压杆10的上端节点13与两条径向上拉索9及一条径向下拉索11相连，下端节点14与两条环向拉索8及一条径向下拉索11相连。位于同一平面的四条环向拉索8首尾相连，形成一个正四边形，所述的每个光伏穹顶最外围与浮式框架共用四个节点2两条纵向拉索4及两条横向拉索6。
26.如图5所示，装配式浮力球5安装于垂向拉索3中部，其装配后的外形呈球形，由四个四分之一球形的浮体18通过浮体滑槽17与浮体滑轨22装配组成浮力球体，浮力球体表面设有防滑卡槽19，固定钢箍20通过防滑卡槽19安装于浮力球体表面，固定节点21位于固定钢箍20的交点处并通过固定拉索16与节点2连接。浮体18为包括两个平面及一个曲面的四分之一球体，浮体滑槽17与浮体滑轨22分别设置于两个平面，两个平面的夹角处设有用于穿过垂向拉索3的弧形凹槽。防滑卡槽19由四个呈井字形布置的圆形卡槽组成，于浮力球体上半球面与下半球面各有四个交点。
27.如图6所示，左侧为本发明浮式框架张拉成形前的结构形态，通过减小垂向拉索3的长度对结构施加预应力，右侧为经过迭代计算后的结构形态。
28.如图7所示，浮式框架各杆与索所受的应力在迭代计算近两千次后逐渐收敛，结构趋于稳定。
29.在本实施方案中，浮式框架由互不相交的v形压杆及多条拉索张拉成形而成，单组浮式框架呈中间高两侧低的形状且上下侧左右两节点高于中间左右节点，多组浮式框架组合时，每两组间会形成一个凹面，加之四棱锥形的穹顶结构，当光线到达一定角度则对光线
有一定的汇聚作用。浮式框架与光伏穹顶共用多个节点与多条拉索，整体依然为张拉整体结构，其质量较轻且具有一定的弹性与抗撞击能力，当天气恶劣时，可有效降低结构间碰撞而带来的机械损伤。
30.作为本发明的另一种实施方式，如图8所示，在其他实施方式不变的前提下，浮式框架的九组v形压杆1垂直于水平面，自左向右按逆向、正向、逆向的顺序纵向布置v形压杆1，自前向后按正向、逆向、正向的顺序横向布置v形压杆1，九组v形压杆1通过拉索连接各节点且两两互不相交。浮式框架上下方所有的纵向拉索4和横向拉索6长度相同，中间以v形压杆1支撑，通过减小垂向拉索3长度对整体结构施加预应力，上下两侧的横向拉索6所连接的中间节点2低于两边节点2，中间的横向拉索6所连接的中间节点2高于上下两侧中间节点2但低于中间的两边节点2，所述的中间的两边节点2高于上下两侧的两边节点2。当浮式框架组合后，每两组间为凸面，上下两侧较低，具有更好的抗风性能。
31.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，上述说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
32.本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：包含可漂浮于海面的浮式框架，安装于浮式框架上方的光伏穹顶，以及将整体装置固定于海面的系泊系统，多组海上光伏发电装置组合后呈波浪面，其谷面通过光伏穹顶的相互折射可提高太阳能吸收率；所述的浮式框架利用装配式浮力球（5）提供主要浮力，两组浮式框架间通过侧面的四根连接索（15）相连，四个光伏穹顶呈两行两列均布于每个浮式框架上方，整个装置通过系泊缆绳（7）固定于海面。2.如权利要求1所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：所述的浮式框架包括九组v形压杆（1），十八个节点（2），九根垂向拉索（3），十二根纵向拉索（4），九个装配式浮力球（5）和十二根横向拉索（6）；九组v形压杆（1）构成整体骨架，上表面由九个节点（2）、六根纵向拉索（4）、六根横向拉索（6）构成田字形结构，下表面同样由九个节点（2）、六根纵向拉索（4）、六根横向拉索（6）构成对应的田字形结构，九根垂向拉索（3）将上下相互对应的九组节点（2）连接。3.如权利要求2所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：所述的v形压杆（1）由两根铰接的压杆组成，此处开口向上的v形压杆（1）称为正向v形压杆（1），开口向下则称为逆向v形压杆（1）；所述浮式框架的九组v形压杆（1）垂直于水平面，自左向右按正向、逆向、正向的顺序纵向布置v形压杆（1），自前向后按逆向、正向、逆向的顺序横向布置v形压杆（1），九组v形压杆（1）通过拉索连接各节点且两两互不相交。4.如权利要求3所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：所述的浮式框架上下方所有的纵向拉索（4）和横向拉索（6）长度相同，中间以v形压杆（1）支撑，通过减小垂向拉索（3）长度对整体结构施加预应力，此时上下两侧的横向拉索（6）所连接的中间节点（2）高于两边节点（2），中间的横向拉索（6）所连接的中间节点（2）低于上下两侧中间节点（2）但高于中间的两边节点（2），所述的中间的两边节点（2）低于上下两侧的两边节点（2）。5.如权利要求4所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：所述的装配式浮力球（5）安装于垂向拉索（3）中部，其装配后的外形呈球形，由四个四分之一球形的浮体（18）通过浮体滑槽（17）与浮体滑轨（22）装配组成浮力球体，浮力球体表面设有防滑卡槽（19），固定钢箍（20）通过防滑卡槽（19）安装于浮力球体表面，固定节点（21）位于固定钢箍（20）的交点处并通过固定拉索（16）与节点（2）连接；所述的浮体（18）为包括两个平面及一个曲面的四分之一球体，浮体滑槽（17）与浮体滑轨（22）分别设置于两个平面，两个平面的夹角处设有用于穿过垂向拉索（3）的弧形凹槽，所述的防滑卡槽（19）由四个呈井字形布置的圆形卡槽组成，于浮力球体上半球面与下半球面各有四个交点。6.如权利要求5所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：所述的光伏穹顶包括八条环向拉索（8），十二条径向上拉索（9），九根垂向压杆（10），十二条径向下拉索（11），太阳能光伏板（12），上端节点（13）和下端节点（14）组成；所述的光伏穹顶整体呈四棱锥形，其底部四角分别由一条径向上拉索（9）与一条径向下拉索（11）连接至浮式框架对应的节点（2），顶部布置一根垂向压杆（10），四条棱各按长度均布两根垂向压杆（10）；所述的太阳能光伏板（12）布置于光伏穹顶四个的三角形侧面。
7.如权利要求6所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：顶部垂向压杆（10）的上端节点（13）与四条径向上拉索（9）相连，下端节点（14）与四条径向下拉索（11）相连；其余八根垂向压杆（10）的上端节点（13）与两条径向上拉索（9）及一条径向下拉索（11）相连，下端节点（14）与两条环向拉索（8）及一条径向下拉索（11）相连。8.如权利要求7所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：位于同一平面的四条环向拉索（8）首尾相连，形成一个正四边形，所述的每个光伏穹顶最外围与浮式框架共用四个节点（2）两条纵向拉索（4）及两条横向拉索（6）。9.如权利要求8所述的组合式索杆结构的海上光伏发电装置，其特征在于：所述的系泊系统包括系泊缆绳（7）和连接索（15），所述的连接索（15）连接相邻两组装置侧面的节点（2），所述的系泊缆绳（7）一端固定于海底，一端连接于海上光伏发电装置底部最外侧的节点（2），整体呈一定的角度倾斜，将用于连接的连接索（15）拉起，使两组相邻浮式框架间保持一定间距。

技术总结

本发明公开了一种组合式索杆结构的海上光伏发电装置，主要由浮式框架、光伏穹顶与系揽系统组成；浮式框架包括按一定规律排列且互不相交的V型压杆，连接两个节点的拉索，以及安装于垂向拉索中部的装配式浮力球；光伏穹顶安装于浮式框架上方，包含多条环向拉索、径向上拉索、径向下拉索与多根垂向压杆，通过施加预应力使其绷紧并在其坡面布置太阳能光伏板；系揽系统包括连接两组浮式框架的连接索与将整体装置固定的系泊缆绳；本发明整体呈张拉整体结构，利用索杆结构代替传统的光伏发电装置支架，其重量小，承载能力强，具有较大的变形能力，可应对海上的恶劣气候条件，同时光伏穹顶提高了太阳能光伏板的可铺设面积，多单体的组合形式可充分利用光学折射和反射提高太阳能的吸收率。的吸收率。的吸收率。