山地光伏支架及其新型基础形式的应用分析

2023-06-01向伟

太阳能 2023年5期

向伟

(浙江省建筑设计研究院，杭州 310006)

0 引言

为实现碳达峰、碳中和的国家能源战略目标，中国的能源结构将因此发生翻天覆地的变化。光伏发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，必然是国家实现这一战略目标的重要途径。光伏发电技术在国内外均得到了广泛地研究、发展与运用。近年来，随着光伏电站的大规模兴建，学者及部分工程师已涉足光伏支架结构设计及其基础形式的理论研究与工程应用。

郭小农等[1]对光伏支架受力进行了理论推导，得出了典型双柱光伏支架这类不等高单层框架柱有侧移失稳计算长度系数的计算公式，并制作了表格以方便工程人员查阅使用，通过与有限元数值模拟分析结果对比后发现：提出的理论公式和计算表格均能精确计算光伏支架有侧移失稳的极限承载力。黄华等[2]以特变电工哈密863实验电站微电网项目的固定式光伏支架为研究对象，运用有限元分析软件SAP2000对固定式光伏支架结构体系进行了多种荷载工况作用下的承载力分析，为固定式光伏支架结构设计提供参考依据。张庆祝等[3]采用LabVIEW编程，使用拉压传感器对光伏组件的拉压力进行测试，将所得结果与经验数值对比分析，验证了经验数值的正确性，为光伏支架强度设计和光伏组件倾翻力矩的计算提供依据，并得出以下结论：1)正向风荷载小于背向风荷载；2)背向风荷载的作用点位于中心偏上，更容易吹翻光伏组件；3)用最小二乘法拟合试验数值推导出风荷载的值，可以用于指导支架强度的设计。吕宏伟等[4]结合工程设计实践，对比分析了目前光伏支架设计时对风荷载作用效应的考虑情况，根据分析结果给出了固定式光伏支架设计风荷载取值建议，为此类结构的抗风性研究提供参考。邢克勇等[5]通过对现浇独立基础方案和灌注桩基础方案的计算对比分析，提出了一种光伏支架基础的新型空心薄壁结构基础方案，并分析了其工程优势。

随着中国的光伏电站建设区域不断向东部地区转移，山地光伏电站的建设数量不断增加。山地光伏电站的设计、施工要比平原地区的光伏电站复杂，这给工程实践带来了一定困难，且此类电站的建设难度还会因项目地的地形复杂程度不同而不同。因此，探索山地光伏电站的设计，尤其是此类电站中光伏支架及其基础的设计，对山地光伏电站的优化设计及推广运用具有重要意义。通过上述文献可以看出，专家学者对固定式光伏支架及支架基础形式的研究已取得一定的成果和工程运用，但对于山地光伏支架的结构设计和施工控制尚未涉足探讨，而光伏支架结构体系的设计与开发也已成为相关工程设计的关注重点。基于此，本文以山地光伏电站的光伏支架(下文简称为“山地光伏支架”)结构及其基础形式为研究对象，对山地光伏支架设计采用固定式可调光伏支架的必要性及其优势进行分析，并对设计、施工时的控制要点进行说明；对能与固定式可调光伏支架结合的微孔钢管灌注桩基础的受力性能及其优势进行介绍，并指出其设计控制参数。

1 山地光伏电站的发展现状

光伏电站种类主要包括分布式光伏电站和集中式光伏电站。从光伏电站装机容量来看，大型的集中式光伏电站占主导地位，而山地光伏电站又是集中式光伏电站的主要形式之一。因此，山地光伏电站具有广阔的市场前景和份额。

山地光伏电站可利用山地、荒坡等未开发的土地资源进行大规模建设，但其场地地形复杂，设计难度大，施工难度更大，已建成的山地光伏电站的发电效率普遍偏低。在光伏电站装机容量不断增加的历史浪潮中，不仅需要光伏发电设备厂家不断进行技术创新和提高产品效率，也需要光伏电站的设计者不断寻找提高电站发电效率和经济效益的设计，以便有效提高国民经济效益和生活质量，造福当地人民。

2 山地光伏支架的结构优化及施工控制要点

2.1 山地光伏支架及其主要特点

光伏支架是支撑光伏组件的结构，根据光伏组件是否能主动追踪太阳，将光伏支架分为固定式光伏支架和跟踪式光伏支架两种类型。固定式光伏支架通常有单柱与双柱两种形式，在满足结构安全的前提下，双柱光伏支架比单柱光伏支架更具有经济性[1]，因而得到了更为广泛的应用。为充分利用太阳能资源，光伏组件通常以最佳倾角安装，因此在固定式双柱光伏支架中会存在短柱和长柱。而单柱光伏支架一般应用于农光互补、渔光互补等离地高度有一定要求的光伏发电项目。综上，本文以固定式双柱光伏支架进行分析。

随着中国平原地区已不能满足光伏电站建设用地的需求，中东部较为平坦地区的山地光伏电站得到了较大发展。相对于平原地区的光伏电站，山地光伏电站有自身的设计特点和难点。

山地光伏电站设计、施工具有如下特点[6]：1)山地光伏电站大部分场址远离交通主干道，需在了解地形、地貌的基础上修建进场道路及进行施工部署，较常规光伏电站的设计及施工难；2)光伏支架结构设计及预留强度较其应用于平地时高，主要是由于山地地表往往有植被覆盖，地形容易形成不同于平地的山风，若按照平地光伏支架强度设计，建成后的光伏支架会存在一定的安全风险，易增加支架损坏率；3)因场地高低起伏，施工难度大，遇雨季时，需注意山洪、山体滑坡、坍塌等自然灾害；4)因场地地形复杂多变，造成光伏支架及其基础的设计强度提高，施工中对设备及施工方法的要求提高。

由于山地光伏电站的场地地形复杂多变，当采用固定式光伏支架时，支架很难通过调整基础的高度来实现高差，以保证光伏组件的安装倾角，但可通过采用固定式可调光伏支架方案来解决此问题，即光伏支架的主、次梁和其余构件都可根据支架设计图纸在工厂预制，只需根据桩基的离地高度，现场调整光伏支架立柱的长度，使支架适应山地地形的高低变化。此种固定式可调光伏支架能够提高支架的适应性和安装的可操作性，保证支架的安装精度，且能加快工程施工速度。

2.2 典型双柱光伏支架的受力分析

典型的双柱光伏支架一般由立柱、主梁、次梁和斜支撑等构件组成，其结构如图1所示。图中：θ为主梁的倾斜角度；h1、h2均为光伏支架桩基的离地高度，mm；h3为光伏支架的前立柱高度，mm；h4+h5为光伏支架的后立柱高度，mm；H为桩基的轴距，mm；H1、H2均为光伏支架斜支撑定位长度，mm。

图1 典型双柱光伏支架的结构示意图Fig. 1 Structure schematic diagram of typical two-column PV bracket

在进行山地光伏支架的结构设计时，一般会按照平原地区光伏支架的计算方法来计算，而未考虑复杂地形变化对支架立柱高度的影响，使图1中各构件参数的取值为定值，导致设计的光伏支架存在结构安全隐患。根据主梁的倾斜角度、光伏组件的尺寸及相关荷载，设计人员可通过光伏支架结构设计软件的不断试算，实现支架立柱间距、斜支撑位置的优化设计，达到光伏支架用钢量的最优化。

2.3 固定式可调光伏支架的力学分析及施工控制

通过上述分析可知，山地光伏支架及其基础应具备适应复杂地形和一定高差的调节能力。在进行光伏组件布置设计时，一般以光伏组串为单位，光伏支架设计也以此为基准。由于1个光伏阵列中各榀立柱的高度因地形的高低起伏存在一定高低差异，使实际工程中支架柱脚处的受力与设计时的假定状态存在一定程度的差异，若差异过大或支架承载力安全储备不足，易导致支架损坏，使光伏组件无法正常发电。因此，需根据地形的实际情况对光伏支架进行设计控制。

相对于平原地区光伏支架的结构，山地光伏电站的固定式可调光伏支架立柱高度变化后的受力分析简图如图2所示。图中：Δh是光伏支架为适应地形变化等因素导致支架立柱需调整的高度，即立柱高度变化；F1x、F1y分别为光伏支架主梁对前立柱的反作用力沿水平方向(x轴)、垂直方向(y轴)的分力，kN；F2为光伏支架斜支撑对后立柱的反作用力，kN；F3x、F3y分别为光伏支架主梁对后立柱的反作用力沿水平方向(x轴)、垂直方向(y轴)的分力，kN；α为光伏支架斜支撑对后立柱的反作用力与垂直方向的夹角，(° )。

图2 山地光伏支架的立柱受力分析简图Fig. 2 Schematic diagram of force analysis on columns of mountain PV brackets

从立柱强度设计角度，立柱高度变化对其柱脚内力(弯矩)的影响可由式(1)表示：

式中：M1、M2均为光伏支架立柱柱脚处受到的弯矩，kN·m。

通常在光伏支架的设计中，为节约钢材用量，控制材料成本，立柱应力容许比需达到90%以上，该值已经非常接近材料极限设计值。因此，支架立柱需具备一定的高度调节范围，这样既能满足设计和工程安全要求，又能适应山地地形的高低变化。设计中，此调节范围需根据地形的最大变化程度来合理确定，以达到工程投资与光伏电站安全的平衡。

3 光伏支架基础

3.1 常见的光伏支架基础形式

通常，光伏支架的基础形式可采用独立基础、混凝土灌注桩、螺旋钢管桩、预应力高强混凝土(PHC)桩、岩石锚杆等。

独立基础因开挖工程量较大，对植被的破坏严重，应用的越来越少。混凝土灌注桩受力性能可靠，能满足工程安全要求，在工程实践中得到较为广泛的运用，其设计、施工技术也已非常成熟，并且积累了丰富的工程经验。螺旋钢管桩的施工方便迅速，在戈壁地区应用较多，但尚不能有效解决螺旋钢管的工程防腐问题，其使用多年之后，因螺旋钢管被严重腐蚀后出现了螺旋钢管桩拔出等工程破坏问题。PHC桩为工厂预制，可保证桩的质量，施工方便、迅速，对场地、植被的破坏很小，且PHC桩耐腐蚀性强，常应用于农光互补、渔光互补、林光互补及山地光伏等光伏组件离地高度较大的光伏发电项目。岩石锚杆的运用范围较窄，仅适用于基岩场地。

综上所述可知，混凝土灌注桩和PHC桩较适用于山地光伏电站，已建山地光伏电站也多采用这两类光伏支架基础形式。

3.2 新型光伏支架基础形式的分析

为满足山地光伏电站的发展需求，提高施工速度和节约项目成本，本文结合实际工程介绍一种与固定式可调光伏支架结合的新型光伏支架基础形式——微孔钢管灌注桩。此类桩基础主要由镀锌钢管、钢筋、混凝土组成，桩身采用素混凝土浇筑，镀锌钢管埋入桩基础一定深度，钢筋均匀焊接于钢管外侧。该桩基础的设计图及实物图如图3所示。图中：L为桩基础长度；L1为镀锌钢管露出地面的长度；L2为镀锌钢管埋入桩基础的深度；L3为钢筋与镀锌钢管的焊接长度；L4为钢筋在桩底的保护层厚度；D为桩基础的直径。

图3 微孔钢管灌注桩基础的设计图与实物图Fig. 3 Design drawing and actual photo of microporous steel pipe cast-in-place pile foundation

3.2.1 微孔钢管灌注桩基础的力学分析

微孔钢管灌注桩基础具有如下受力特点：

2)一方面与镀锌钢管焊接的三根带肋钢筋能与混凝土紧密连接，使钢管与混凝土形成一个整体；另一方面，桩身与周围土的摩擦力均可提供桩基础的抗拔力，满足桩基础的工程抗拔要求。

3)微孔钢管灌注桩基础的抗剪承载力较薄弱，特别是钢管断面处，剪力将全部由素混凝土承受，桩基础的抗剪承载力突变。当钢管截断处截面位于地面以下一定深度且位于持力层之中时，经过计算验证桩基础能满足截面抗剪承载力即可。

综上所述，通过合理设计微孔钢管灌注桩基础，其可满足工程安全需求。

3.2.2 微孔钢管灌注桩基础设计控制

结合微孔钢管灌注桩基础的受力特点，在山地光伏支架基础的设计中，主要通过控制微孔钢管灌注桩基础的各个主要构件的参数，满足其抗压、抗弯、抗拔及抗剪要求，实现桩基础的安全可靠。

在此微孔钢管灌注桩基础中，桩基础长度需根据现场地质条件计算确定；插入桩基础的镀锌钢管露出地面的长度满足其与支架立柱的可调连接即可；可利用镀锌钢管埋入桩基础的深度提供桩基础的抗剪能力，钢管长度可根据各土层的力学性能设计来确定；钢筋与镀锌钢管的焊接长度由桩基础设计抗拔力计算来确定，且应满足JGJ 18——2012《钢筋焊接及验收规程》中焊接搭接长度要求；微孔钢管灌注桩基础直径一般可设计为160～200 mm。

3.2.3 微孔钢管灌注桩基础施工特点

新型微孔钢管灌注桩基础具有如下施工特点：

国有水利工程农业供水价格由供水生产成本、费用构成。供水生产成本是指正常供水生产过程中发生的职工薪酬、直接材料、其他直接支出、制造费用以及水资源费等。供水生产费用是指供水经营者为组织和管理供水生产经营而发生的合理销售费用、管理费用和财务费用等期间费用。国家规定农业水价不计利润和税金。

1)相较于传统的山地光伏支架基础采用的混凝土灌注桩，微孔钢管灌注桩基础具备施工备料简便，工序简单，施工速度快，能满足光伏发电项目“抢装”的工期要求，能实现较好的经济效益。

2)桩基础的成孔直径和深度较小，开挖量少，施工周期短，降低了对场地岩土和植被的破坏程度，适用于土质较坚硬区域的山地光伏支架，对山地坡度高低起伏的适应力强。

3)预埋钢管的定位、固定和埋入深度监控是此类基础的施工控制重点，是影响桩基础质量和耐久性的关键。

3.2.4 微孔钢管灌注桩基础的经济性分析

以湖北省某山地光伏电站为例，其光伏支架采用固定式可调光伏支架(双柱)，对支架基础分别采用混凝土灌注桩和微孔钢管灌注桩时的经济性进行分析。两种桩基础的直径均为200 mm，桩身长均为1500 mm。以1个桩基础和1个光伏阵列为例，混凝土灌注桩和微孔钢管灌注桩的成本对比如表1所示。

表1 两种桩基础的成本对比Table 1 Comparison of cost between two types of pile foundations

从表1可以看出：微孔钢管灌注桩能节约20%左右的成本，可取得较好的经济效益。

3.2.5 微孔钢管灌注桩基础的优势

综上可知，微孔钢管灌注桩基础为山地光伏支架提供了一种新型的桩基础形式，可在实际工程中推广运用，提高经济效益。微孔钢管灌注桩基础的优势主要有：1)设计思路明确，易于控制；2)相对于混凝土灌注桩，可省约20%的工程投资；3)施工工序简单，施工速度快，对场地破坏程度小等。因此，微孔钢管灌注桩基础能较好满足山地光伏支架的要求，在实际工程中也已得到初步运用，例如湖北省随州地区的山地光伏电站等。