1.本发明涉及安装于水上的太阳能发电站中的、使用密封式铝挤压管的漂浮式太阳能铝浮体,并且更具体地,本发明涉及通过使用两端密封的铝挤压管的漂浮式太阳能铝浮体,其中通过密封铝挤压管的两端而获得的浮体最小化水污染并具有强抗腐蚀性,并与用于固定结构件和框架的铝结构结合,从而实现在水上良好地漂浮,甚至在台风、风暴、冰雪冰冻和干旱季节也能保持安全并提高太阳能发电的效率的浮体。
背景技术:2.工业革命以后的快速工业化需求和为提供人类生活所需的能源人类无差别地滥用化石燃料,导致地球的荒废化。为了恢复和保护环境,在2015 年签署了联合国巴黎气候协议。作为众所周知的可再生能源的太阳能能或太阳能主要依赖于陆基发电站,然而,如今扩展到具有较小环境负荷和高发电效率的漂浮式发电站。
3.然而,与陆基发电站不同,漂浮式太阳能发电站由于被安装在水上,因而总是流动的和不稳定的。特别是在台风、大雪、风暴和干燥季节,流动是极端且不稳定的。此外,水在台风、大雪、风暴和干燥季节期间是极其易变和不稳定的。
4.即使在这种恶劣的条件下,浮体也应该安全地保存太阳能模块,不污染水,并且可以长时间使用,以增加太阳能发电的效率和经济可行性。
5.作为传统浮体,如图1所示,浮体主要例如通过塑料材料(pe、pp、 epp和eps)的吹塑、注射或旋转模制来制造。然而,虽然这种塑料材料由于其重量轻、可加工性和低成本而被广泛使用,但是它还具有如下的许多缺点。
6.首先,它引起微塑性污染。浮体经常暴露在外部空气中,受到紫外线的攻击,产生不可见的微小塑料,并且由于外部条件差,浮体会随着时间而劣化。虽然太阳能发电被认为是为了环境保护,但是环境负荷正在增加,并且生态系统由于污染而被破坏。
7.其次,塑料具有短的使用寿命。太阳能模块制造商通常保证他们的产品25至30年,但是模块的实际使用寿命更长。这是因为即使效率稍微降低,但是发电不会受到太大干扰,同时模块由耐用材料例如玻璃、铝框架和硅制成。因此,浮体的使用寿命应该至少比模块的寿命长。由于以下原因,在电站操作期间更换浮体是不经济的:(a)产生了大量的废弃物;(b) 由于更换比新安装更困难,因此更换浮体成本太高;以及(c)发电中断。在阳光下的塑料寿命通常被认为是约10年;短寿命是塑料材料的最劣势之一。
8.第三,塑料具有安全问题。漂浮式太阳能浮体总是暴露于极端条件,例如阳光、紫外线、台风、暴风雨、暴雪、结冰、震动和干燥季节。
9.在这些条件中的任何一种的情况下,塑料浮体可能破裂和被淹没;事实上,塑料材料对于尖锐物体、冲击和火焰非常脆弱,并且在寒冷天气中冻结时也变得易碎。
10.第四,连接部分是脆弱的。由于制造的限制,塑料浮体具有有限的体积,因此需要大量的浮体。此外,可连接到浮体、结构件和系泊设备的部件总是接收很大的力,因为这些
部件由于不同于金属的塑料特征而易受损坏。最近,对于在日本最大的漂浮式太阳能发电站中由台风引起的损坏和火灾,专家指出,事故主要由塑料浮体的易碎性和可燃性所导致。
11.第五,废塑料浮体只有低的经济价值,并且在拆除发电站时不能抵消成本。对于笨重浮体的价值来说,运输成本可能太高。
12.为了解决这些缺点,开发了如图2所示的使用电镀钢板的浮体。钢板浮体是通过弯折预镀的预制钢板并将聚酯浮体插入到钢板中而获得的;它可以在一定程度上解决易损性和安全性问题,但是仍然具有以下缺点。
13.首先,它引起严重的污染。钢是比重为7.8的金属,其在水中容易腐蚀(大约是铝的100倍);其生锈或腐蚀性物质污染环境。另外,来自防腐蚀镀层材料的洗出液的污染也引起问题(镀锌的腐蚀速率是铝的腐蚀速率的约10倍)。在安装在家用贮水容器中3年的实验钢板浮体的照片中,从钢板的切割和处理表面明显观察到严重的腐蚀。腐蚀每年蔓延大约100 微米,并且如果水含有盐则加速腐蚀而污染水。
14.钢板在加工完成后必须经过最终电镀以减缓腐蚀。然而,目前的制造工艺是对已经电镀的钢板进行后处理的方法;不可避免地在运输过程中产生凹痕、在切割和加工表面上产生过早生锈和腐蚀。
15.另一个问题是包含在被插入到钢板中以增加浮力的聚酯型体中的微塑料的污染。
16.钢还具有短的寿命。已知电镀钢板在水中的寿命约为10-20年。
17.也就是说,钢板的耐用寿命比模块本身的寿命要短。
18.第三,钢板太重。钢是比重为7.8的重金属,并且由于其成本太高而不能运输、加工、组装和安装,因此是不经济的。另外,由于尽管钢具有自身重量,但为了实现所需的浮力,还需要使用更多的钢,因此重量和成本迅速增加。
19.第四,废金属价值较低;因此它不能抵消拆除成本。
20.电镀钢的价格为约1500韩元/千克,但是废金属被限制在200-300韩元/千克。
21.它不能抵消拆除成本。
22.第五,水可能渗透铁板浮体。
23.弯折加工而成的非封闭钢板浮体在风暴中具有渗水的风险。
24.第六,制造过程复杂。
25.钢板浮体的制造方法包括诸如切割、弯折、生产所需部件、焊接、插入聚酯型体和组装电镀钢板等复杂步骤。工人不容易处理重量重的浮体,并且运输它们花费很大。
26.这种复杂的工艺增加了制造成本,并且由于生产量的限制而不能接受所有的大规模订单。
27.如上所述,塑料和钢板浮体具有环境污染和使用寿命的问题。
技术实现要素:28.要解决的技术问题
29.塑料和钢板浮体的最大障碍是环境污染和短的使用寿命。对于长期的电站运行,需要定期地更换浮体,这导致废物处理、重新安装成本和电站停机。许多漂浮式太阳能发电站水库是将来将继续用作水库的区域。发电站一旦安装就保持发电直到水库的寿命结束。
30.因此,本质上需要一种由半永久性材料制成的无环境污染的浮体。
31.本发明在技术上提供了使用密封的铝挤压管的铝浮体,其是一种具有强抗腐蚀性和长寿命的环保材料,以便解决作为现有浮体的缺点环境污染和短寿命的问题。
32.技术方案
33.为了解决现有漂浮式太阳能发电中浮体的技术问题,本发明提供了一种通过在两端用塞子密封铝挤压管而获得的漂浮式太阳能浮体;在各种金属材料中,铝是一种已经长期用于日常生活(食品或药品包装、餐具、飞机等)的材料,并且证实其具有强的耐腐蚀性和半永久性的使用寿命,排放最少的污染物,重量轻,并且可以容易地进行制造、组装和安装。
34.在金属加工领域,已经有许多专家对铝材的耐腐蚀性、环境污染、使用寿命和强度的研究、分析和验证报告。实际上,人们长期以来对铝的优异特性具有满意的体验,并且它是广泛使用的材料。
35.有益效果
36.传统的塑料和钢板浮体存在环境污染和寿命短的缺点;它们是有害的和不经济的。然而,本发明基于铝材的较小的环境负荷和长寿命而提供了在两端被密封的铝挤压管作为浮体,因此可以预期以下效果:最小化污染;通过提供半永久实心铝浮体和提高经济效益而对漂浮式太阳能发电站有很大贡献;保护全球环境;并且,对相关行业产生工作和协同效应。
37.在韩国,3415个水库中安装具有5960mw容量的电站的项目正在被推进,并且新万金水库中的2400mw漂浮式太阳能电站也正在被计划。
38.最近,世界银行已经公布了市场报告(“在阳光遇见水的地方:漂浮式太阳能市场报告”,2019),其计划全球漂浮式太阳能市场将增长到50 亿美元。
39.该铝挤压管浮体也可以用于捕鱼、海洋产业、休闲。
附图说明
40.图1示出了现有的塑料浮体;
41.图2示出了传统的钢板浮体;
42.图3示出了使用桥形铝挤压管的铝浮体;
43.图4示出了框架连接的铝浮体(单级);
44.图4a示出了铝框架(单级);
45.图4b示出了可连接到(pv)模块安装框架的铝浮体(单级);
46.图5示出了框架连接的铝浮体(双级);
47.图5a示出了铝框架(双级);以及
48.图5b示出了可连接到pv模块安装框架的铝浮体(双级)。
49.附图标记说明:1.铝管;2.塞子;3.螺栓/螺母;4.固定用托架;5.结构件;6.pv模块;7.反射器。
具体实施方式
50.传统的塑料和钢浮体的典型的缺点是污染、寿命短和经济可行性低。为了解决这些问题,选择浮体的合适材料是重要的。此外,需要开发一种浮体,其不会引起环境负荷,具有长寿命,并且满足高生产率、安全性、经济的设备投资和低制造成本。
51.对于漂浮式太阳能浮体,参考的在水面下的面积比是约50%。
52.这种浮体具有这样的结构,其中浮体接收模块的重量、结构件的重量和浮体的重量的总和,并且浮体的一半浸没在水中。
53.除了诸如锂和钠之类的一些稀有金属以外,所有金属都在水中下沉。
54.因为它们比比重为1的水重。
55.钢主要用于日常生活,其比重为7.8,很重。铝为2.7,镁为1.7,尽管它们被归类为轻金属。
56.因此,与聚酯、eps或epp不同,金属材料本身不能用作浮体。
57.因此,在本发明中,铝挤压管的两端被密封,并且空气(密度:0.001225) 被封闭在其中,以利用该空气的浮力。
58.考虑到技术密封和生产率,钢板浮体通过将用于浮力的聚酯型体插入未密封的钢箱中来制造。
59.为了使浮体漂浮,使用具有低比重的金属作为浮箱的材料,以增加浮力并降低材料成本。
60.例如,根据阿基米德原理,宽度为20cm、深度为25cm、长度为6 米的铝挤压管的浮力为300l,重量为36.4kg,因此净浮力为264l。
61.当使用钢板时,它的浮力为300l,重量为126kg,净浮力为174l。
62.这是本发明采用铝挤压管的原因;它不排放污染物,具有半永久性寿命、高生产率、以及2.7的比重。
63.本发明的漂浮式太阳能铝浮体包括无缝(非焊接)铝挤压管、密封塞子、浮体固定架、模块安装结构、结构件固定用托架、浮体保护腿、用于连接浮力单元的铝球接头、用于提高发电效率的铝反射器板、平衡板、螺栓和螺母。
64.本发明人选择铝挤压管作为铝浮体的材料,因为在挤制加工的同时形成无缝(非焊接)管;并且浮体所需的诸如托架和隔板的连接件不需要被单独生产和焊接,而是被整体模制到挤压管中并生产,从而实现经济的批量生产。
65.所有的铝挤制加工工厂都生产铝管。在使用现有的铝管制造浮体的情况下,需要单独地制造浮体所需的诸如托架、隔板和调平板之类的附接件并将其焊接到铝管。因此,制造成本上升,生产能力受限,并且由于经济效率低而不能赢得大型项目。此外,在诸如台风、风暴和结冰的恶劣条件下,由于不统一的质量,不能保证发电站的安全。通过弯折铝板来制造管的方法具有许多缺点和障碍,与钢板浮体类似,例如复杂的生产过程、制造成本的增加、生产的限制、每个步骤的设备投资的增加、以及不稳定的质量。在这种情况下,在紧急情况下,技术上不能制造安装在管内的隔板。仅仅使用铝材料不能实现显著的改进。同时,当使用现有的铝挤压管时,仅排除了弯折和焊接步骤,并且必须单独制造和焊接必要的附件以生产浮体,但是可以根据情况选择生产量和标准。世界银行市场报告计划全球市场的规模为4044gw和500亿美元(约600万亿韩元)。浮体占整个市场的大约30%,即价值150亿美元(约200万亿韩元)。预期它们将在10至 20年内被安装。将需要大约120亿塑料浮体和大约1000亿吨塑料材料。令人担忧的是,将产生多少不可见的微塑料和将发生多少污染。韩国政府也在推动在约3000个水库中安装具有5960mw容量的发电站的项目,并进一步计划在新万金水库中建造2400mw的漂浮式太阳能发电站。也就是说,在不久的将来将存在对浮体的大
量需求,并且本发明的目的是提出解决这种需求的适当的大规模生产的方法。
66.大部分漂浮式太阳能工程是大规模的;通常涉及至少100mw的发电。为了参与该项目,浮体应该被设计成具有以下优点:环保、寿命长、安全大量生产、制造工艺简单、生产成本低、重量轻、易于操作、易于安装、易于维护和拆除后的优异的可回收性。铝管有很好的经济价值,当发电站拆除时,可以回收原价的30~40%,大大弥补了拆除成本。满足上述条件的材料包括铝和镁材料。镁材料非常轻(比重为1.7)且坚固,但是挤制加工技术还没有充分发展。还没有发现其它候选材料,但是随着最近材料工业的快速发展,发明人预期会有新的合适材料。当开发和商业化新材料时,本发明的材料也可被替换,同时应用相同的结构和制造方法。
67.对于漂浮式太阳能发电站,工程规模通常至少为100mw(一年的建设周期),因此需要约300000个塑料浮体。塑料注射机每天生产大约200 到300件。然而,对于铝管,一个大的挤制加工机可以每天生产大约1mw 电站所需的挤压管,并且铝挤制加工机不仅在韩国而且在世界上的任何国家都生产挤压管。因此,可以容易地供应大量的铝管。由于仅挤压管的两端用塞子密封以产生浮体,所以后处理是容易的。它优势在于在交货时间内赢得大规模项目和供应,而没有特别的困难。
68.本发明提供了一种制造方法,在该方法中,选择铝材料用于大规模生产,并且挤压管所需的附件被一体地生产以制造浮体。因此,可以实现具有半永久性寿命并且无污染的铝浮体的大规模生产。本发明的目的在于提供最环保、半永久性、最稳定、最简单和最经济的浮体,可使用目前可用的材料大规模生产该浮体。
69.以下将描述本发明的实施例。
70.如图3所示,铝挤压管的两端用铝塞子密封,以制备漂浮式太阳能浮体。
71.用于固定结构件的托架与铝挤压管一体形成,并且用于附接模块的结构件固定到托架。
72.除了模块安装之外,托架还用于固定桥形浮体的上部和下部。通过将管的方形角部的结构改变为桥形,并将螺栓紧固到托架,以两级堆叠的浮体的上部和下部通过螺栓和螺母被固定,如图3所示。
73.在干旱季节,浮体可能由于缺水而下沉到水库的底部。由于水库的底部大部分是不平坦的,并且存在诸如岩石的障碍物,所以将铝制腿附接至浮体的下部以保护浮体。
74.作为一种即使当浮体的一部分损坏并被淹没时也能在允许其余部分保持浮力的同时增加管的强度的装置,在制造挤压管时,多个隔板沿纵向方向一体地形成在浮体内部,从而增加安全性。
75.根据水库的环境,一定数量的模块和浮体可以组装成单元并漂浮在水上。在这种情况下,球节连接杆被附接至浮体,以防止台风或大浪中单元之间的碰撞,并吸收波动力,从而灵活地应对水中的波动。
76.铝浮体具有反射阳光的优良能力,从而产生高的发电效率。通过在这些浮体之间的空的空间中附加地安装铝反射器板可以进一步提高发电效率。
77.此外,为了工人的安全,在浮体的上表面设置有防滑装置。
78.此外,根据水库的环境,在铝挤压管的左外周表面和右外周表面上形成平衡板,以利用水的阻力来保持浮体的水平。考虑到水库的情况,如果水深浅并且其对于风暴是安全
的,则可以不附接平衡板。
79.如图4和图5所示,多个浮体插入框架中的孔中以被连接和组装成框架连接式浮体。
80.通过阳极电镀所有铝表面,例如具有强耐腐蚀性和半永久性寿命的铝浮体和结构件,进一步提高耐腐蚀性。
81.用密封在浮体内部的空气代替保持浮力的聚酯型体,从而缩短了工艺过程并降低了制造成本。
82.实施方案
83.漂浮式太阳能发电站建造在不稳定的水面上而不是陆地上,因此浮体是发电站成功的基本要素。
84.为了实现上述目的,本发明提供漂浮式太阳能铝浮体,其是通过用铝制塞子将铝挤压管的两端密封而得到的。
85.工业应用
86.本发明提供漂浮式太阳能铝挤压管浮体,解决了现有漂浮式太阳能浮体存在的污染和使用寿命短的问题,从而使污染最小化;通过提供半永久实心铝浮体和提高经济效益而对漂浮式太阳能发电站有很大贡献;保护全球环境;并且,对相关行业产生工作和协同效应。
87.铝挤压管浮体还可用于海洋产业和休闲。