山地光伏支架基础创新研究及应用

何文俊，郑少平，周于程

(中国电建集团湖北省电力勘测设计院，武汉 430000)

山地光伏支架基础创新研究及应用

何文俊，郑少平，周于程

(中国电建集团湖北省电力勘测设计院，武汉 430000)

针对山地光伏复杂地形和地质条件下光伏支架基础工程量大、支架调整难度大、基础工程造价高、施工周期长的难题，在传统支架基础上进行创新设计，提出了一种可适用于山地光伏的新型支架基础型式，该型基础力学性能好，工程造价低，施工效率高，能有效适应山地光伏应用环境，可在行业内大范围推广。

光伏支架基础；山地光伏电站；创新设计

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.003

1　引言

太阳能作为一种资源丰富，分布广泛且可永久利用的可再生能源，其在全球能源结构中的比重持续增大，具有极大的开发潜力[1]。截至2015年9月底，全国光伏发电装机容量达到3795104kW，1～9月全国新增光伏发电装机容量 990104kW，装机规模位居世界首位。“十三五”我国将持续壮大太阳能光伏发电市场规模，初步规划“十三五”光伏装机规模目标将达1.5108kW，即每年新增约2000104kW，光伏发电容量占能源供应的比例进一步加大，市场前景极为广阔[2，3]。

2　传统光伏支架基础

光伏支架基础受项目场址建设条件及施工环境影响较大，量多面广，施工周期长，是光伏电站建设过程中最为关键的内容和环节之一。目前，广泛应用的光伏支架基础型式主要有钢制螺旋地锚基础、微孔灌注桩基础、预应力管桩基础、钢筋混凝土独立基础等[4～7]。

钢制螺旋地锚基础在钢制地锚钢管上以一定螺距、倾角焊接一定数量和直径的叶片，形成螺旋型桩体，通过螺旋锚钻井机将螺旋地锚基础旋进地基砂土，多用于粉土、粉质黏土等表层土地区。因钢制地锚钢管直接与地基土接触，需采用热镀锌防腐工艺来延长螺旋桩使用寿命，基础成本相对较高。

微孔灌注桩基础为圆柱形钢筋混凝土结构，桩身较长，基础开挖土石方量较大。基础施工工序包含采用专业机械设备钻孔机进行成孔，绑扎制作钢筋笼，钢筋笼定位固定，桩身混凝土浇筑及振捣等，工序繁琐且施工工艺较复杂。

预应力管桩基础在混凝土浇筑前，采用先张法张拉钢筋，产生预应力后再浇筑混凝土预制成桩。管桩需采用沉桩机压桩施工，对施工作业面、机械化程度要求较高，适用于以人工填土、软土、黏性土、粉土、粉砂、细砂、中砂为覆盖层且密实耐打的地质条件，应用有限。

钢筋混凝土独立基础多为阶梯形现浇或预制钢筋混凝土结构，基础开挖土石方及回填工程量大。为避免产生较大的不均匀沉降，钢筋混凝土独立基础多用于地基承载力高的场区，不易调整基础高度。同时基础施工需要进行基础定位、基础开挖、模板制作、钢筋绑扎定位、混凝土浇筑、养护、拆模等工序，施工工期长。

上述传统光伏支架基础型式在山地光伏项目建设中应用受限，无法解决山地光伏地形和地质条件下基础工程量大、基础投入造价高、施工周期长、支架不易调整等的难题。本文根据山地光伏特点，对支架基础进行创新设计，提出一种适用于山地光伏的新型支架基础型式——机械成孔钢管地锚基础。

在“十一五”期间，没有建立独立儿童福利院的地级以上城市和部分人口多、孤残儿童数量大的县级市，纷纷新建独立儿童福利机构；已经建立儿童福利机构的地级以上城市，对现有儿童福利机构进行改建、扩建或重建；已经建立社会福利院的县（市、区），新建、改扩建相对独立儿童部，旨在为孤残儿童提供养护、教育、康复、娱乐于一体的多功能综合性服务[3][4]。儿童爱心庄园结合自身实际，抓住契机，积极探索教、康、保三位一体整合服务模式。

3　机械成孔钢管地锚基础创新设计

3.1机械成孔钢管地锚基础结构型式

机械成孔钢管地锚基础桩身呈圆柱体，现浇素混凝土，直径一般为130～150mm之间，桩身长度一般不超过2m，桩身全部埋入地表以下，如图1和图2所示。

图1　基础正面图

图2　基础剖面大样

基础顶部预埋1根轴对称直缝镀锌圆形钢管，避免了角钢、方钢等截面不易旋转调整的弊病，有效解决了山地条件下基础施工定位不易、质量控制难度大的问题。支架立柱与基础预埋钢管采用承插式定位连接，支架立柱可以在基础钢管里自由伸缩调整高度，满足了山地光伏支架角度的调整需求。立柱与基础钢管通过紧固螺栓和对穿螺栓进行固定，如图3和图4所示，其中紧固螺栓用于立柱高度和支架倾角调整前的临时固定，对穿螺栓用于调整完成后的紧固连接。采用螺栓机械连接，质量稳定可靠，操作方便，不需要焊接或现场电源，不受气候条件影响，施工效率高。

图3　螺栓连接正视图

图4　螺栓连接俯视图

光伏组件及支架系统为朝南布置，主要荷载为南北向风压及组件自重[8，9]。针对基础荷载特点，基础中预埋的镀锌钢管沿其主受力方向（南北向）焊接2根带肋钢筋，并下引至桩身底部，见图2。钢筋长度根据基础成孔深度及桩身长度灵活选取，钢筋与预埋钢管之间采用满焊焊接，基础钢管和下引钢筋采用场外集中批量加工方式，生产效率高，可有效提高支架基础施工效率。

3.2机械成孔钢管地锚基础的优势

基础钢管沿其主受力方向焊接下引带肋钢筋，有效提高了基础的抗拔性能，增加了基础钢管与混凝土的锚固长度，减小了基础钢管的长度。得益于机械成孔钢管地锚基础良好的力学性能，基础所需成孔直径和深度较小，有效降低了支架基础的工程造价。

支架立柱钢管可以在基础钢管里面自由伸缩调整高度，有效解决了山地光伏支架倾角调整要求高、立柱高度调节不易的问题，对地形变化适应力强，可广泛应用于低山丘陵、地表障碍物（基岩）出露、局部坡度（高差）变化剧烈等复杂地形区域。

基础施工采用履带式液压潜孔钻机配合空压机进行沉孔，穿透力强，可适应强风化砂砾岩、片岩等坚硬地质条件，可施工性强。履带式钻机抓地性能好，能适应山地起伏、坡度较大的施工作业面要求。采用机械化流水线沉孔作业，单机单日可沉孔100～200个，人工成本低，施工效率高。

3.3机械成孔钢管地锚基础的工程应用及效益分析

机械成孔钢管地锚基础已在某设计院的多个EPC总承包光伏并网发电项目工程中得到应用，项目建设区域覆盖了云南、新疆、湖北等地，地形为山地、戈壁滩、丘陵，地形及地质条件复杂，如图5所示。采用该型基础有效节约了工程造价，工程应用效果显著。

图5　机械成孔钢管地锚基础的工程应用

云南施甸木瓜山30MWp光伏发电工程共2760个一级阵列，每个阵列14个基础，较该项目可研阶段原设计方案钢筋混凝土地锚基础，共计节约工程造价193.2万元，如表1所示。

表1　云南施甸木瓜山30MWp光伏发电工程基础造价对比

新疆阳光温泉一期30MWp光伏并网发电工程共2940个一级阵列，每个阵列16个基础，较该项目初步设计阶段提供的钢筋混凝土微孔灌注桩基础方案，共计节约工程造价141.12万元，如表2所示。

表2　新疆阳光温泉一期30MWp光伏并网发电工程基础造价对比

湖北随州淅河100MWp光伏发电工程共18520个一级阵列，每个阵列8个基础，较该项目可研阶段原设计方案钢筋混凝土地锚基础，共计节约工程造价518.56万元，如表3所示。

表3　湖北随州淅河100MWp光伏发电工程基础造价对比

4　结论

山地光伏发电项目市场前景广阔，光伏支架基础量多面广，施工周期长，是光伏电站建设过程中最为关键的内容和环节之一。本文提出的机械成孔钢管地锚基础力学性能好，工程造价低，施工方式灵活，机械化施工效率高，能有效适应山地光伏复杂地形和地质条件，对于传统光伏支架基础有较大优势，在工程实际应用中有效节约工程造价，效果显著，可在行业内大范围推广。

【1】乔俊强,李世民.全球光伏市场动态与展望[J].太阳能，2015(4)：12-16.

【2】国家能源局.2014年光伏发电统计信息[EB/OL].http://www.nea. gov.cn/2015-03/09/c_134049519.htm,2015-03-09.

【3】国家能源局.国家能源局关于下达2015年光伏发电建设实施方案的通知[EB/OL].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201503/t20150318_ 1891.htm,2015-03-16.

【4】杨文,田富银.泰国某光伏发电示范工程支架基础选型设计探讨[J].低碳世界，2014(22):105-106.

【5】闫健,刘健全.大型光伏电站扰动区支架基础选型的探讨[J].太阳能.2013(23):36-39.

【6】Umberto Desideri,Pietro Elia Campana.Analysis and comparison between a concentrating solar and a photovoltaic power plant[J]. Applied Energy.2014,113(8):422-433.

【7】Brandon Duquette,Todd Otanicar.Comparative Economic Analysis of Concentrating Solar Technologies[J].J.Sol.Energy Eng.2013,135(2): 145-150.

【8】GB 5007—2011建筑地基基础设计规范[S].

【9】GB 50797—2012光伏发电站设计规范[S].

Innovation Research and Application of Mountain PV Support Foundation

HE Wen-jun，ZHENG Shao-ping，ZHOU Yu-chen
(Power China Hubei Electric Power Survey&Design Institute,Wuhan 430000,China)

Considering the problems of PV foundation under complex terrain and geological conditions of mountain PV power plant, including large engineering quantity,difficulty of bracket adjustment,high cost and long construction period,anew PV foundation type was proposed innovatively as substitution for traditional PV foundations,which has characteristics of excellent mechanical properties,low cost, high efficiency,strong adaptability for mountain PV power plan,and large-scale promotion in PV industry.

PV foundation曰PV power plant曰innovative design

TU271.1

A

1007-9467（2016）05-0025-03

何文俊(1971～)，男，湖北武汉人，工程师，从事新能源工程设计研究，（电子信箱）33076374@qq.com。

2015-12-01