柔性光伏支架的施工方法浅析

赵 岩

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122 )

0 引言

在能源愈发珍贵的背景下，太阳能作为绿色、清洁的可再生能源倍受人们关注，随着化石能源储量日渐减少，太阳能产业蕴藏的经济性和投资价值也越发突出[1-2]。发展光伏产业是实现中国“双碳”目标重要举措[3-4]。在近年中国光伏产业的发展中，光伏发电应用场景多集中在沙漠、戈壁、屋顶等，且这些光伏发电项目采用的光伏支架多为传统的刚性光伏支架，占地面积大，对场地平整度的要求较高，项目的建设发展受限于土地资源[5-7]。柔性光伏支架的提出实现了在各类复杂地形场景下建设光伏发电项目的目标。柔性光伏支架的占地面积小，对场地平整度的要求低，这些特点也使建设农光互补、林光互补、渔光互补等类型光伏发电项目的目标得以实现，极大地提高了单位土地面积的太阳能利用率，充分利用空间资源及太阳能资源，是实现多产业融合、产业现代化的重要举措，具有较高的经济价值[8]。基于此，本文从光伏支架工程应用的角度出发，对柔性光伏支架的技术原理进行简要介绍，并以浙江省开化县某林光互补光伏发电项目为例，对柔性光伏支架的施工方法与施工工艺流程进行总结。

1 柔性光伏支架的技术原理

柔性光伏支架是将传统的刚性光伏支架中的檩条替换为柔性钢绞线，将光伏组件安装在钢绞线上，通过钢绞线提供反力。柔性光伏支架具有结构、材料简单，耗材少，建设周期短等优点，可实现大跨度布设，且受地形地貌的影响较小。

2 项目背景

本文以浙江省开化县装机容量为80 MW 的林光互补光伏发电项目为例，简述柔性光伏支架的施工方法与工艺流程。该林光互补光伏发电项目的位置图如图1 所示。

图1 该林光互补光伏发电项目的位置图Fig.1 Location map of the forestry-PV complementary power generation project

需要指出的是，该林光互补光伏发电项目所在地为低山地形，场地四周环山，山势连绵起伏、地势陡峭，高程约为250～650 m，相对高差为400 m。光伏场区内的地貌为原始山坡，地势起伏较大，坡度可达40°～45°。由于项目的占地面积较大，约为1542.48 亩(1 亩约为666.67 m2)，因此为了适应陡峭山地地形，项目的总体设计放弃了难以安装的传统刚性光伏支架，而是采用了复杂环境适应性强的柔性光伏支架。项目的光伏组件采用峰值功率为550 W 的单玻单晶硅光伏组件。

柔性光伏支架及支架基础均处于山坡上，基础结构多为微孔灌孔桩，光伏组件固定于钢绞线拉索上。考虑到该项目的占地面积较大，而柔性光伏支架在受风较大区域不宜采用，导致光伏支架难以实现全面覆盖，会不可避免地存在少量间隙。因此，为保障项目建设用地的利用率，部分间隙采用固定光伏支架填补；同时，为确保光伏支架的结构设计使用年限可达到25 年，柔性光伏支架的钢构件选用镀锌防腐材料。施工结束后，项目现场柔性光伏支架的局部结构如图2 所示。

3 柔性光伏支架的施工工艺流程与施工方法

在实际山地光伏发电项目的建设工程中，柔性光伏支架的具体施工工序及施工工艺流程如图3 所示。

图3 柔性光伏支架的具体施工工序及施工工艺流程Fig.3 Specific production processes and process flow of flexible PV brackets

下文对柔性光伏支架施工工艺流程中各工序的具体施工方法及要求进行介绍与总结。

3.1 施工前准备

施工前应详细研究在复杂山地架设柔性光伏支架并顺利发电并网的项目需求，进而制定具体的施工方案和计划。同时，根据工程要求和设计图纸，施工前的准备工作还应实施以下几点：

1)核验具体的施工图与施工现场可能存在的矛盾问题，例如：图纸中柔性光伏支架结构的尺寸异常；桩基测量放样点遇到孤石阻碍，成孔困难等，需提前兼容好施工图与施工现场的匹配性。

2)针对可能存在的矛盾问题，制定专项处置措施，编制具体指导施工作业书。例如：对阻碍桩基施工的孤石进行人工挖除；在陡峭地形施工前，人工提前修建施工便道等。

3)根据施工现场的实际情况，编制桩基、柔性光伏支架，以及柔性钢绞线的详细施工方案。

4)按计划布置施工现场，并提交当地建设行政主管部门(例如：发展和改革委员会、环保部门、林业部门、城市规划行政主管部门、国土资源部门、电网等有关单位和部门)进行审批。

5)依照项目的施工进度规划各类材料的用量计划，保障施工顺利进展。

3.2 桩基施工

桩基施工前的测量定位工作是保障工程质量的关键因素之一，测量放线根据GB 55018—2021《工程测量通用规范》[9]中的要求开展，施工期间所有施工定线均需进行复测验收，验收合格后才可以进行机械成孔。

桩孔的中心位置偏差应在±20 mm 之内，桩孔深度允许偏差在+50 mm 以上(即只能深不能浅)，桩孔垂直度允许偏差为小于等于桩长的1%，孔底的沉渣厚度应小于等于50 mm。

需要强调的是，钻孔成型后，应立即检查孔的完整度情况，查看是否出现垮孔或孔深不够等现象；若出现垮孔严重或孔深不够的情况，需要进行再次成孔，直至满足设计要求为止。同时，施工人员或机械设备通过时严禁碾压已成型的孔洞，对已落入孔底的浮土，需采用人工清理的方式，清理干净后再进行下道工序的施工。

3.3 钢筋笼的制作与安装

对于钢筋笼的制作，采用机械下料、人工焊接的方法。制作时，应从钢筋选料的源头杜绝工程安全隐患，选用具有质量合格证明的合格钢筋，并进行复测检验，以保证钢筋质量；对已进场的钢筋，应按类别分区堆放，并做好区分标识。

特别说明的是，钢筋加工过程同样需要严格控制，需严格按照设计图纸对钢筋的形状、尺寸进行加工，在加工过程中需要避免钢筋表面受到外界的二次污染。

3.4 钢管预埋安装

钢管预埋安装时，其应与桩基的钢筋笼连接固定，钢管与钢筋笼上的钢筋采用焊接方式进行固定，钢管中垂线与桩身中垂线应重合，使钢管安装垂直不倾斜。

需要强调的是，同样需要对钢管尺寸进行规范处理，应严格按照设计图纸进行加工。预埋安装前，应先对加工后的钢管尺寸进行检验校核，校核无误后才可以进行预埋安装。

3.5 混凝土浇筑

桩基浇筑用混凝土采用现场搅拌的方式。本工程采用C30 混凝土，其配合比为“水∶水泥∶砂∶石子=0.38:1.00:1.11:2.72”。其中，砂通常选用含泥量不超过3%的中砂；石子通常选用质地坚硬且粒径在5～40 mm 之间的碎石。

此外，为保证混凝土浇筑的施工质量，还必须开展以下几点保障措施：

1)协调好各工种的工作配合；

2)严格按照配合比搅拌混凝土，确保计量准确；

3)施工过程中应反复检查混凝土的塌落度及水灰比，每台班至少检查4 次，同时预留好混凝土试块。

3.6 钢支架的安装施工

钢支架是将柔性钢绞线所受荷载传递至地面的关键组成结构，为整个柔性光伏支架体系中的刚性组成部分。钢支架的安装施工流程可总结为：基础施工及预埋件定位→钢支架现场拼装→安装端部钢架(调校端部钢架垂直度)→端部斜支撑安装→依次安装中间钢架(调校中间钢架垂直度)。钢支架的整体结构布置示意图如图4 所示。

图4 钢支架的整体结构布置示意图Fig.4 Diagram of overall structural layout of steel bracket

钢支架的安装施工中，最重要的工作为柔性钢绞线的安装。柔性钢绞线(主索)为柔性光伏支架体系的核心，其空载铺设顺序以150 m 作为1 个可张拉的固定单元。每个固定单元的柔性钢绞线(主索)与螺杆的组合尺寸如图5 所示。图中：R为锚具锁定板平面半径；Q345B 代表钢材型号；YJM9.5-1 代表锚具型号。

图5 柔性钢绞线(主索)与螺杆的组合尺寸(单位：mm)Fig.5 Combination size of flexible steel wire rope(main cable) and screw (Unit：mm)

柔性钢绞线(主索)在空载状态下的铺设及张拉顺序有两种，如图6 所示，下文分别进行具体介绍。

图6 柔性钢绞线(主索)在空载状态下的铺设及张拉顺序Fig.6 Laying and tensioning sequence of flexible steel wire rope (main cable) under no-load state

1)第1 种铺设及张拉顺序：从一侧(东或西方向的一端)开始分别向另一侧全部铺设(图6中的“1 →2 →3 →4”或“4 →3 →2 →1”)，即每个固定单元柔性钢绞线都沿东西方向铺设完成后，再进行下一个固定单元柔性钢绞线的铺设。待柔性钢绞线铺设完成后，再将拉杆及缆风绳安装到位，此时缓冲弹簧的张紧力调至约1 kN 即可，需要在光伏组件铺设完成后再次调整缓冲弹簧的张紧力，以保证缆风绳不松弛，且光伏组件在风力作用下无明显摆动。

2)第2 种铺设及张拉顺序：由东西两端同时向中间铺设(图6 中的“1(4)→2(3)”)，即每个固定单元柔性钢绞线都从两端部向中间铺设，沿东西方向铺设完成后，再进行下一个固定单元柔性钢绞线的铺设。待钢丝绳铺设完成后，再将拉杆及缆风绳安装到位，同样，此时缓冲弹簧张紧力调至约1 kN 即可，需要在光伏组件铺设完成后再次调整缓冲弹簧的张紧力，以保证缆风绳不松弛，且光伏组件在风力作用下无明显摆动。

需要指出的是，柔性钢绞线(主索)空载铺设完成后，每跨的下挠值需控制在50 mm 之内，一定要保证每排光伏组件上的两条柔性钢绞线挠度值相同，且单块光伏组件所在平面内两条柔性钢绞线的间距控制在1400 mm(允许偏差为±3 mm)，此时钢支架端部螺杆两侧各伸出的长度应控制在50 mm，以便留出较长的伸缩余量，保证后续张拉的使用。此外，为了降低钢支架顶端平面外的侧拉力，钢支架顶端在张拉力作用下，立柱单向受力不宜大于6.9 kN。当该值不易确定时，应采用轴力计进行检测，若柱顶同时有不对称的两组反向侧拉力时，应进行抵消，抵消后的差值确定后再进行张拉。当单向受力值或抵消后的差值超出上述规定(6.9 kN)时，应采取适当的辅助设施(即临时支撑，斜拉)加以临时固定，以避免钢支架受力超限出现较大的倾覆，对钢支架及支架基础造成破坏。

3.7 光伏组件安装

柔性钢绞线(主索)空载铺设完成后，应保证每两条柔性钢绞线之间的间距(平面内垂直投影)相等，且每条柔性钢绞线的挠度值相同。待空载状态下的柔性钢绞线调整完成后，开始铺设光伏组件，光伏组件的铺设顺序示意图如图7所示。

图7 光伏组件的铺设顺序示意图Fig.7 Schematic diagram of laying sequence of PV modules

另外，在光伏组件安装过程中需要注意的是：

1)光伏组件的安装至少要有两人配合作业。可先将固定压块固定于光伏组件上，再由两个人一同将1 块光伏组件安装到柔性钢绞线端，要保证固定压块拧紧时4 个接触点的受力均匀。

2)光伏组件铺设过程中，应保证光伏组件横向与柔性钢绞线平行，按南北方向两块光伏组件之间的间隔为200 mm 整齐布置；光伏组件的横向间隔(即东西向间隔)均匀，且间距控制在100 mm，有连杆处间距控制在120 mm。

3)每跨光伏组件的下挠值控制在150 mm以内。

4)光伏组件固定压块紧固无松动，弹性垫片放置在螺母侧压实。

5)光伏组件边框无扭曲变形、拐角无开裂。

6)在光伏组件搬运及安装固定过程中应做好防护措施，避免因人为操作不当造成光伏组件的损坏。

3.8 柔性钢绞线(主索)的二次张拉

通常待光伏组件铺设完成后，或由于短时间的负荷作用下柔性钢绞线( 主索) 由空载状态变为负载状态，此时柔性钢绞线( 主索) 的挠度值增大，柔性钢绞线( 主索) 由松弛阶段向弹性阶段转变，在转变过程中造成的柔性钢绞线( 主索) 的伸长属于结构性伸长，即为永久伸长。

应在光伏组件铺设完成后对柔性钢绞线(主索)进行第1 次挠度值检测，挠度值超出规定要求的150 mm 时，应同时拧动单跨两端端部的调节螺母进行二次张拉(螺杆螺母应车丝加工，安装前涂敷润滑油脂，两端同时张拉以避免光伏组件向一侧偏离)，每根柔性钢绞线(主索)的张拉力为15 kN，二次张拉顺序按照柔性钢绞线(主索)空载状态下的铺设张拉顺序(见图6)操作。

柔性光伏支架钢结构的施工流程如图8所示。

图8 柔性光伏支架钢结构的施工流程Fig.8 Construction process of steel structure of flexible PV bracket

此外，为确保工程施工的安全稳定，待工程施工完成后，应根据实际检测周期，先以1 周为检测周期，再以1 个月为检测周期，进行钢丝绳伸缩量及挠度值的检测。若检测中出现柔性钢绞线跨中的伸缩量及挠度值增大，或同一排光伏组件的两根柔性钢绞线下挠值不一样的情况时，应逐一进行二次张拉，直到调整至同一跨柔性钢绞线最低点处于同一标高且挠度值相同，让柔性钢绞线达到伸缩稳定状态为止。例如：某处柔性钢绞线，7 天时的跨中挠度值为70 mm，而30 天时的跨中挠度值达到120 mm，则需要进行二次张拉，至柔性钢绞线达到伸缩稳定状态。

3.9 验收

柔性光伏支架施工工艺流程的最后一道工序为验收，按照主要钢结构安装验收规范执行。

4 结论

本文基于柔性光伏支架的技术原理，以浙江省开化县某林光互补光伏发电项目为例，总结了柔性光伏支架的施工方法与施工工艺流程。柔性光伏支架灵活可调，占地面积小，对场地平整度要求低，可广泛应用于各类地形地貌，例如农地、林地、复杂山地、水池等，应用前景广泛。柔性光伏支架的施工方法在该林光互补光伏发电项目的成功应用，可为今后同类工程的柔性光伏支架施工提供借鉴。