山地光伏支架基础选型的研究及设计应用

陈才生

摘要：全球经济的大发展伴随着能源供应紧张、环境污染和气候变化等问题的到来，寻求新的清洁、绿色新能源成为当前世界各国共同研究的新课题。新能源中最具代表性的光伏发电在近些年来得到了快速的发展，利用荒地和山地来修建光伏发电站，在不破坏环境的情况下实现清洁能源的利用。山地光伏的水文、地质构造条件及植被分布复杂，对光伏支架的要求比较高，因此面临着设计施工难度大、造价高、周期长等问题。本文将从山地光伏发电站的特点及光伏支架基础受力特点出发，对传统光伏支架基础设计难点进行了分析，最后详细阐述了山地光伏支架的基础形式设计，希望能给到相关人士一些建议和帮助。

关键词：山地;光伏支架;受力特点;基础设计

太阳能是最具代表性的新能源，以其分布广泛和可再生的特点在全球范围内得到了广泛地使用，并且在能源结构中的占比越来越大。在我国随着光伏发电站的不断建设，可供选择的平地资源越来越少，因此山地光伏的开发逐渐走进人们的视野。山地光伏的建设受到地形地势的影响，其造价和布局的难度大大增加，因此需要对山地光伏支架基础进行创新和改进。

一、山地光伏发电站的特点及支架基础受力特征

1.1 山地光伏发电站的特点

山地光伏发电系统的一般都是依照天然地形条件采用顺坡布置，光伏组件按照所在山地的最佳照射角度进行设置，一般会将东西方向的倾角顺应山坡而建，倾角根据当地光资源及方位角确定。光伏组件的南北方向、东西方向的倾角都是依靠光伏支架系统进行控制和调节的，这就要求光伏支架基础预留足够调整裕度。在山地光伏系统的施工过程中，光伏支架基础的作业面较小，不宜使用大型机械进行大范围内的施工，只能人工作业。山地的地质构造条件对于支架基础的修建来说是非常恶劣的，地面上多为砂砾岩等坚硬的岩层，因此支架基础施工难度增大，全是小范围的人工作业，工程工期增长，导致成本增加。所以山地光伏发电站的建设需要考虑多方面的因素，包括太阳能光照资源、地形地貌、地质构造等，确保光伏组件的安装工作能够快速进行。此外，还需考虑山地光伏电站的后期运营管理成本。

1.2 山地光伏支架形式及基础受力特征

山地光伏发电系统的结构为：上层是光伏发电组件，利用太阳能转化为电能，为人类提供清洁绿色的能源。中上层是支撑结构，一般采用钢结构支架形式。下部为光伏支架的基础部分，主要承受上部光伏组件和中部支撑结构的重量和风荷载。在整个光伏系统中起着控制作用的是风荷载，基础受力一般有两种情况，在顺风工况下，支架基础主要承受竖向的压力和水平方向的推力;在逆风工况下，支架基础主要承受向上的拔力和水平方向的推力，因此山地光伏所选择的支架结构形式既要满足支架的各种受力特点，还需具有施工简单、工程量小的特点。

二、传统光伏支架基础施工建设与设计难点

2.1 传统光伏支架基础施工建设

光伏支架基础的施工是光伏发电站建设中的重要环节，在建设的过程中受到诸多因素的影响，例如项目所在地的地质条件、气候条件、建设条件等，由于工程量较大，且施工工期较长，因此也是光伏发电站建设的关键所在。当前我国常用的光伏支架基础形式有钢筋混凝土独立基础、配重式混凝土支墩基础、预应力管桩基础、微孔灌注桩基础和钢制螺旋桩基础等。钢筋混凝土独立基础常采用的型式一般有预制钢筋混凝土结构和阶型现浇结构，施工过程中需要进行基坑开挖和土体回填，优势在于能够减小不均匀沉降，缺点是工期长，费用高。配重式混凝土支墩基础，一般也可采取预制式或现浇式，优势在于基础施工无需进行基坑开挖及回填，缺点是需要预先整平场地，并配置足够的模板。预应力管桩基础的施工步骤为：打桩机就位、施打预制桩、桩顶焊接钢板，优势在于基础稳固，缺点是对机械设备和地质条件的要求较高，因此使用的范围较窄。钢制螺旋桩施工步骤为：打桩机就位、螺旋桩施工，这种基础的优势在施工速度块、桩基施工完成后可立即进行支架安装，缺点是成本高，耐腐蚀性差，对砂土地质不适用。以上这些传统光伏支架基础形式一般不能很好适用于山地光伏项目的建设之中，因此需要我们进行不断的创新和研究，寻找适合山地光伏支架基础建设的方法。

2.2 光伏支架基础设计的难点

随着我国社会经济的不断发展，对能源的需求在不断的增长之中，光伏发电因其适用范围广、可再生、清洁绿色的特点在全国范围内迅速推广，并且在能源的配比中也逐渐占有更高的比例。我国的光伏发电站大多数都建立在太阳光资源丰富，自然条件恶劣，土地产能低的西北部地区。随着光伏发电站建设规模的不断增加，西北部地区的平地资源在不断地减少，因此山地光伏電站的建设成为当前的主要形式。光伏发电站的建设需要考虑两个方面的因素：首先是地形，光伏电站的设计要结合实际的地形条件，安装方式、方阵设计、支架设计、基础选型等因素都要考虑在内，这样才能够将光伏组件的设计与光伏支架的设计进行有效的匹配，不仅要保证设计的合理性，还要保证最大发电效率。其次是工期及成本，两者相辅相成，在一定程度上也影响到整个项目的财务测算。光伏发电站的支架基础设计面临着众多的难点与外在因素影响，再者光伏发电站的建设过程对机械设备和建设材料的要求都很高，这就导致了建设成本的增加。尤其是建设山地光伏发电站，又会面临着各种的施工难题，导致工期延长和成本的直线上升。

三、山地光伏支架的基础设计

3.1 进行适应性设计应用

光伏支架及基础设计时，风荷载是控制荷载。与平地光伏电站设计相比，山地光伏荷载取值更加复杂。风载的风压高度变化系数不仅要考虑地面粗糙度的影响，还应考虑地形条件的修正，在山峰及山坡处及与风向一致的谷口处，一般风荷载比平地处风荷载大;在谷地、盆地等闭塞地形，风载取值一般比平地处略小。支架基础设计时，应根据实际地形分类设计，在确保基础的设计安全的同时，能有效控制成本，有的放矢。

3.2 进行新技术设计应用

以电动支架潜孔钻机为代表的新技术应用，表现出了良好的地形适应性、高稳定性、高安全性等，它的使用十分方便，采用的是人工装卸的方式。这种新技术的应用效果十分显著，以风化石层和鹅卵石层为例，打孔工作能够一次性完成，不用进行二次打孔。针对山地光伏发电站地形复杂的特点，可以使用电动支架潜孔钻机进行钻孔，它的钻孔灵活性非常高，且不易产生污染，具有降低人工的工作量，加快工程工期的优点，因此得到了广泛地使用。

3.3 进行微型桩设计应用

在山地光伏发电站的建设中，光伏支架基础的建设数量众多。传统的支架基础建设要求使用挖掘机进行，这样的施工过程会造成植被的破坏和渣土的残留，增加了后期的工作量。支架基础设计时根据地质条件选取合适的微型桩形式，利用小型履带式钻孔机进行微型桩施工，钻孔孔径小且钻孔深度浅，因此不会对周围植被造成太大的影响，施工成本较低且施工速度快。其次在对微型桩基础进行回填的过程中，不会产生大量的基槽余土，更不会造成环境污染，符合当前对可持续发展和环保的双重要求。

结语：综上所述，我们不难看出光伏发电站对于改善当前能源紧张和环境污染问题具有十分重要的作用和意义。我国当前的光伏发电站的建设正逐步向着山地光伏的方向进行，通过对光伏支架基础设计的不断改进和完善，我们在确保光伏支架基础安全性的同时，逐步降低了其建造成本，未来我们要不断地对光伏支架基础进行技术性的创新，更进一步缩短工程工期，降低工程成本。

参考文献

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