水面漂浮光伏电站锚固系统浅析

水面漂浮光伏电站锚固系统浅析

罗 ,艺

西北电力设计院有限公司   陕西  西安   710000

摘要：本论文对于水面漂浮光伏电站锚固系统选型研究包括下述内容：锚固系统的构成及技术要求；设计基本原则及防腐技术。本报告对水面漂浮光伏电站锚固系统技术进行了浅析，可用于指导锚固系统设计、工程量控制等方面的工作，也对于其他涉水工程的实施具有一定的参考意义。

关键词：水面漂浮；光伏电站；锚固类型；锚固技术；设计原则；防腐技术；

1. 水面漂浮光伏电站锚固系统概述

水面漂浮光伏电站指在水塘、小型湖泊、水库、蓄水池等水上建立的漂浮式光伏电站。水上光伏发电技术可以有效地解决太阳能光伏发电普遍存在的工程占地面积大，我国中东部地区电力需求大但可提供建造大型集中式地面光伏的土地又很少的突出问题。

锚固系统是水面漂浮电站设计的难点，也是漂浮系统、敷设系统、接地系统能否可靠工作的关键点，锚固技术需要有系统的计算和验证，一般包含下列内容：

①浮体的整体浮力计算及局部浮力计算；

②风荷载、水流力、波浪力、水位变化、温度影响、冻胀力等计算；

③定泊设施、锚索计算；

④锚固系统的连接设计及构造措施；

⑤适应水面波动变形的构造措施及整个漂浮系统的稳定性计算等。

浮体允许随水位变化，但应防止其碰到岸边，根据电站具体条件（浮体离岸距离、水深等）采用不同的锚固型式，锚固型式一般有岸边锚固、桩锚固、配重加锚索锚固、专用锚固等，具体如下：

1)岸边锚固：用绳索将浮体固定于岸边，适用于距离岸边较近的浮体。

2)桩锚固：浮体用绳索固定在桩上，适用于距离岸边较远的浮体，且水深不大的水域（一般水深≤6m）。

3)配重加锚索锚固：浮体固定于锚块上，适用于水深较大，且距离岸边较远的水域。

4)专用锚固：采用特制锚具及方式对浮体进行固定，适用于对锚固方式有特殊要求的漂浮系统。

各方式的主要特点如下：

1)采用桩锚固的方式，可以提供较强的锚固力，锚固数量较少，其受水深、沉陷情况以及施工工期的影响较大，当水深小于3m时，可放水清淤后再进行打桩施工，当水深在3~6m时不能放水清淤，采用打桩船进行施工；注意对于沉陷区有防水层的水域，不能采用桩锚固的方式。

2)配重锚固、专用锚固提供的锚固力较小，需要设置的锚固点数量较多，专用锚固的造价也较高。

锚块大多做成水泥预制锚块和钢制预制锚块。锚块的形式有“扭王字锚”、船锚、蛙锚和钢制地锚。“扭王字锚”定位简单，不易施工，强度低；船锚抓地力大，强度和防腐要求高，稳定性相对较差；蛙锚抓地力大，强度高，易施工，稳定性好；钢制地锚易施工，强度高，抓地力大。因此在工程中大多采用蛙锚和钢制地锚的锚块系统。

2. 锚固系统类型和技术特点

锚固系统是指通过锚绳（系泊缆）或撑杆将漂浮式水面光伏方阵或漂浮式设备平台与锚固点连接，使漂浮式水面光伏方阵或漂浮式设备平台具有抵御一定环境条件的能力，保证设计环境条件下的方阵稳定性及安全性。又称系泊系统。

在运营期内，要保证漂浮系统的运动范围满足设计要求，避免与其他浮体碰撞，必须使用锚泊系统进行系泊定位，其主要由锚泊线和锚体组成。漂浮式水上光伏电站仅需事先在底床上设置锚块，在浮体和锚体之间通过一定长度的锚泊线柔性相连，即可适应水位的季节性变化，较桩基承载式水上光伏电站更为经济。系泊系统是保证漂浮浮体阵列在风浪流作用下，整体漂浮阵列在平面上位置大致稳定的重要结构。针对不同的地质条件，锚体通常采用海工锚、重力锚或桩锚等。风压荷载和水位变化是导致漂浮系统运动的主要因素。

漂浮式光伏电站开发会受到水域内流速、洪峰的影响。一般情况下湖泊、水库、坑塘内的常驻水流速度小于2 m/s，适合水上漂浮式光伏电站的开发；对于水流流速可能较大的河流，或者可能发生较大洪峰流量的河流，不太适合开发漂浮式光伏电站。

漂浮式光伏电站开发还会受到水域内水位变幅的影响。设计高水位与设计低水位落差较小（小于10m），同时低水位水深在一定范围内的水域，适合开发经济性较好的漂浮式光伏电站。若高低水位落差太大，为了不造成过大的漂移，漂浮浮筒阵列的锚固距离将拉大，这将相当程度上增加漂浮式光伏电站的所占水域面积；低水位水深过浅会导致漂浮阵列搁浅，低水位水深过深将导致锚桩施工成本迅速增加。

浮体允许随水位变化，但应防止其碰到岸边，水面漂浮电站浮体固定方式可根据风速、水域深浅、浪涌高度，以及水位涨落幅度分为水上固定和水下固定两种方式。当光伏阵列离岸边距离较近时，一般采用水上固定方式，即通过钢丝锁链与岸边的地锚基础连接在一起，或用撑杆将浮体固定在岸边。当光伏阵列离岸边距离较远时，可通过钢丝锁链与水底重物 (如混凝土锚块或锚桩)连接在一起。

浮体固定在桩上，并用绳索固定浮体，适用于距离岸边较远的浮体，且水深较浅水域；浮体固定于锚块上，适用于水深较大，且距离岸边较远的水域。如果风浪较大或环境相对复杂时，可采取水上固定和水下固定相结合的方式。

锚泊系统包括了锚、锚索链及其它设备。锚泊系统的作用是将浮体约束在所要求的水域位置上。根据安装水域的深浅，湖面波浪的大小和水面涨落幅度，地质稳定区可采用每个发电单元四周水底打入预制管桩方案；在地质非稳定区规划用地可采用每个光伏发电单元四周湖底用锚块锚固方式。锚固系统设计方案应充分考虑光伏场区水底地质未稳沉、水位变化幅度大、水底地形复杂等特点，确保具有适应水位变化的能力，不因风浪或水位变化因素造成锚固位移或损坏浮体，确保漂浮方阵系统安全稳定运行25年。

3. 锚固系统设计基本原则

锚固系统可进行受力系统模拟仿真计算来选择适宜的锚固方案和锚点布置。根据漂浮式光伏方阵环境载荷、锚固数量、锚绳布置角度、锚绳余量等设计参数进行仿真模拟计算，确定光伏方阵的设计系泊力、方阵偏移量及偏转角度等。光伏方阵的锚固力分析应综合考虑风向、风速、波高、波长、水流速度、锚链长度、锚点与方阵的夹角等多种因素。锚固力计算应复核浮筒抱耳、插销及连接件的强度。抱耳最大剪切力宜小于0.5 倍的抱耳设计抗剪切力，抱耳最大拉力宜小于0.8 倍的设计抗拉力；插销最大剪切力宜小于0.5 倍的插销设计抗剪切力；连接件最大应力宜小于该材料的设计应力。

水下锚固可采用船锚锚固、混凝土锚块锚固、螺旋桩、水下锚桩等型式。有条件的宜使用岸堤着力方式。水底有防渗层的水库采用的锚固方式不可破坏防渗层。漂浮式设备平台与就近的光伏方阵浮体应综合考虑锚固系统。箱变浮台与光伏方阵距离不大于3m，可采用撑杆连接锚固；分别独立设计锚固系统时，浮台与光伏方阵距离应不小于3m。漂浮式设备平台系泊系统需校核平台的抗倾覆性。

锚固系统应能适应水位的变化，一般设计成水位上下5m范围内可调。系泊缆形式的选择应综合考虑强度、腐蚀、老化等因素。锚固系统系泊缆可采用锚链、钢绳及合成纤维缆绳。系泊缆外可增加保护套。系泊缆破断力应大于设计系泊力，宜为设计系泊力的1.5~2 倍。在有风浪或水位发生变化时，浮体始终保持相同的水平位置和干舷高度。

4. 锚固系统防腐技术

根据锚固系统腐蚀发生的机理，采取防腐的方法主要有阴极保护法、防腐涂层法以及两者的复合防腐方法等。

阴极保护法：以吸力锚的防腐方案为例说明。为了使得吸力锚在服役周期内免受腐蚀，通常的做法是采用阴极保护联合涂层防腐。吸力锚的阴极保护采用安装牺牲阳极，阳极均匀地安装在吸力锚海泥以上的部位。阳极结构和尺寸可以根据吸力锚的尺寸来确定。阳极的成分以及电化学性能要满足规范以及标准的要求。计算阴极保护时，吸力锚的外部面积全部统计，在统计吸力锚的内部面积时，长度按照相关标准规定考虑。

防腐涂层法：在钢筋混凝土结构表面涂刷或喷涂防腐层能防止腐蚀介质浸透到钢筋表面，从而提高结构耐久性。采用防腐涂料是最简便易行的防腐蚀方法，既可以增加结构的整体美观性，又能从一开始就杜绝有害物质的入侵，从而防止钢筋锈蚀。混凝土防腐涂料涂层有成膜型、渗透型和复合型三大类。国内外市场上常见的成膜型涂料如泰美涂ACl00，渗入型涂料有Protectosil CIT、FS-2/3等，复合型涂料有Dekguard s*、E-26等。

5. 总结

本文地对水面漂浮光伏电站锚固系统技术进行了浅析，掌握水面漂浮光伏电站锚固系统的设计方法，可用于了解水面漂浮光伏电站锚固系统，也对于其他涉水工程的设计具有一定的参考意义。

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