柔性光伏支架在大坡度地貌条件的应用.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 新能源发电柔性光伏支架在大坡度地貌条件的应用闭尚东（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁）摘 要：地面光伏电站的建设，除要考虑太阳能资源的分布以外，还需要综合考虑光伏电站建设区域的地貌情况。在传统光伏电站建设过程中，坡度大于 的地区，通常都会放弃使用。随着国内经济发展对土地的需求日益增加，如何高效地应用大坡度地貌场地，成为光伏项目建设的一个难点。笔者通过对比分析大坡度条件下光伏电站支架基础及光伏支架系统的特点，得出合适的基础形式和光伏支架系统。结合光伏电站工程实例，综合论述柔性光伏支架系统在大坡度地貌条件下的应用，提出施工建议，可为后续的同类项目建设提供参考。关键词：大坡度地貌；柔性光伏支架；光伏组件中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：概述广西梧州市旺村水利枢纽是一座以发电为主，结合航运，兼顾其他综合利用的中型水利水电工程，是国务院批复的珠江流域综合规划中列为近期开发的项目，坝址位于珠江流域西江水系桂江下游河段梧州市长洲区旺村附近，是桂江河段开发的最末一个梯级电站，距桂江河口 ，其地理位置为东经、北纬。设计坝型为混凝土重力坝，坝顶高程 ，正常蓄水位，库容 亿，装机容量为。水电站北侧混凝土护坡区域，坡度较大，约为；主要利用水工建筑用地进行地面光伏项目建设，初步规划直流侧装机规模为 。收稿日期：；修回日期：作者简介：闭尚东（），男，广西贵港人，助理工程师，主要从事项目管理、工程技术研究。：。红水河第 卷为最大限度地确保容量，拟采用预应力悬索光伏支架，采用固定支架倾角，南排间距 ，串数 块，按 块光伏组件布置。边坡平台基础采用独立基础形式，边坡上端边桩采用管桩基础或条基基础，斜拉索基础采用预制埋地形式。支架形式为“小龙门架”形式，作为钢丝支撑。支架系统设计方案对比 工程建设条件该光伏项目建设地点为广西梧州市长洲区旺村水电站，现场基本风压为 ，基本雪压为 ，组件尺寸为 ，重量，抗震设防烈度为 度，设计基本地震加速度为，光伏阵列支架设计使用年限 ，基础设计使用年限 ，结构重要系数为。大坡度光伏支架系统选型大坡度光伏电站的建设，在考虑光伏组件安装倾斜角度的同时，也要考虑现场施工环境对施工的制约：一方面，大坡度地区一般大型机械无法到达，施工比较困难；另一方面，大坡度地貌条件下因倾斜度较大，在设计选型过程中还要充分考虑支架及组件的稳定性，确保整个光伏系统安全可靠。本文基于梧州市旺村水电站水光互补光伏发电项目的现场实际情况，在桩基础选型、支架立柱安装、光伏组件布局设计等方面，对柔性光伏支架系统的应用进行综合论述。支架桩基础的选型光伏支架系统的安装需要有稳固的基础结构，大坡度场地光伏发电项目建设过程中，桩基础作为整个支架系统的承重部位，桩基础选型和施工已成为整个支架系统施工的重要环节。目前，国内针对光伏发电项目桩基础的类型通常分为微孔灌注桩及预制桩。钢筋混凝土微孔灌注桩对于地形起伏较大的场地，调整桩长方便，定位准确，钻机对土层的要求比预制桩的低，对于砾石层地质及岩层都有较为成熟的钻进工艺。另外，微孔灌注桩基础无土方开挖及回填，施工速度较快，工期短。但是微孔灌注桩在地表以上外露桩身需支模浇筑混凝土，混凝土浇筑方量较小，且比较分散，在施工过程中，对于混凝土的运输及浇筑量把控比较困难。外露桩身模板加固校准受地表地貌影响较大，在施工过程中容易出现移位、跑模等情况，影响混凝土成形质量。钢筋混凝土预制桩通常分为预制管桩及预制方桩两种，一般在预制构件工厂预制，在生产过程中采用离心法及振动平台使混凝土密实，具有强度高、质量和外部观感较好等优势。另外，预制桩通过锤击及静压方式进行现场施工，具有施工速度快、工艺简单、无土方开挖及回填、对周边环境扰动较小、工期较短等优点。但是预制桩对场地平整度要求较高。对于起伏较大的场地，打桩机设备进场及成品桩的运输难度都比较大，一般适用于平原地区及沿海滩涂地区的施工。由于受两种桩型技术要求及施工环境的限制，目前在大坡度的地貌条件下，山地光伏发电项目通常采用微孔灌注桩进行施工。支架立柱选型大坡度地貌条件对光伏支架的选型及安装制约比较大，为确保整个光伏组件安装的稳定及安全性，整个支架系统需考虑风荷载标准值、支架主次梁挠度允许值、受压构件的容许长细比、支架净截面系数等参数的影响。目前，在此类地貌条件下应用的光伏支架系统主要分为简易钢支架系统、桁架支架系统、柔性支架系统。）简易钢支架系统通常在坡顶、坡底及坡中间设置钢立柱，中间采用 形钢进行连接，钢梁中间设置檩条进行连接并放置光伏组件。此类系统基础整体稳定性较好，支架采用型钢进行焊接及螺栓连接，整体抗震及抗剪力较大。但是此类支架系统整体用钢量较大，造价偏高；在大坡度地貌条件下施工难度较大，安装困难；后期整个支架系统的防腐维护比较困难，整体经济效益不理想。简易钢支架组件布置图详见图。图 简易钢支架组件布置图 ）桁架支架系统主要依靠坡顶及坡底立柱支撑整个支架，不考虑在斜坡中间设置立柱，整个支架钢梁采用平行桁架架设，光伏组件直接安装在桁架上。桁架支架系统对基础施工的制约较小，施工难度小。但是此类支架系统加工复杂，受桁架跨度制约较大，安装精度要求高，且造价相对较高。桁 第 期闭尚东：柔性光伏支架在大坡度地貌条件的应用架支架构件图详见图。图 桁架支架构件图 ）柔性支架系统在坡顶及坡底设置独立基础，安装钢立柱，端部钢立柱外侧设置斜拉钢绞线，钢绞线配置独立配重系统，保持支架稳定。坡顶到坡底之间张拉预应力钢绞线，两端固定点斜拉钢绞线以提供支撑反作用力。光伏组件直接安装在预应力钢绞线上方。柔性支架系统整体结构重量较轻，可实现 的大跨度安装，且在光伏组件安装过程中，可根据地形条件限制及跨度影响，采用多个跨度安装，在钢绞线中间位置安装摇摆柱，有效控制钢绞线的挠度。钢绞线与端柱及中间摇摆柱的连接采用咬紧式铰接，可有效降低应力集中。柔性支架系统通过钢绞线支撑光伏组件的形式，具有安装灵活、造价低廉、对地形地貌要求较低的特点。光伏组件与钢绞线的连接可以采用 形螺栓刚性连接，亦可采用压片柔性连接，现场施工过程中根据工况选择科学合理的连接方式，以增加光伏组件与钢绞线连接的稳定性。柔性支架系统布置图详见图。图 柔性支架系统布置图 综合分析上述三类支架系统的应用效果及造价可知，除因自然风荷载过大，拉锁抗拉设计值不满足施工要求等客观条件限制的情况下柔性支架系统无法应用外，大坡度地貌条件下可以优先考虑使用柔性支架系统。相比较其他两种支架系统，柔性支架系统具有明显的应用优势。光伏组件布局的设计光伏组件作为整个光伏发电系统的核心部分，安装的角度及稳定性将直接影响制约整个光伏电站的发电效率。光伏组件的效率受温度、太阳辐射强度、组件匹配、灰尘等因素的影响。光伏支架的布局设计通常分为横排方案和竖排方案两种，在满足安装倾斜角度的前提下，现场的光伏组件的安装需根据柔性支架钢绞线的宽度进行综合考虑。光伏组件安装示意图详见图。图 光伏组件安装示意图 光伏组件的安装顺序应遵循从上到下的原则，安装过程中必须轻拿轻放，以免破坏表面的保护玻璃。每组组件安装前在组件上下两段分别拉一条线，并将其紧绷，以拉线为基准分别调整拉线范围内的组件，使其保持在一条直线上。光伏组件与钢绞线的连接采用压板螺栓或 形螺栓连接方式进行固定，在组件安装完成后，必须对所有螺栓进行二次检查，保证固定螺栓紧固到位，确保光伏组件在极端天气条件下，具备抗倾覆且稳定发电的效果。柔性光伏支架施工建议大坡度地貌条件下光伏支架的选型，不仅要考虑现场施工条件的限制，还需要综合考虑支架的经济效益，后期维护成本，及光伏组件的发电效率等因素。其中柔性光伏支架的应用，可以最大限度地利用柔性支架广泛灵活的适用性、支架结构大跨度、施工难度低、施工周期短、节约土地资源的特点，在不破坏原有地貌及植被环境的条件下，完成光伏电站的建设。柔性光伏支架的施工，在充分利用了钢绞线等柔性组件弹性模量大、强度高、松弛率低等优点的同时，对于基础的稳定及支架结构的受力，也要进行研究选型。相较于主要受竖向荷载的普通刚性支架的受力，柔性支架采用的拉索结构会对支架产生红水河第 卷较大的水平荷载。承重索通过立柱顶部的水平拉力，会使基础产生较大的剪力和抗拔力。在立柱选型中，可以考虑选用何种类型的水平力承载构件，以降低对基础承载力的要求。结合结构受力分析，单侧钢斜柱是以受压的形式承担钢索的水平拉力，斜拉索是以拉索力的形式承载，因此钢斜柱会对基础产生压力，而斜拉索则会对基础产生拉力。在相同地质条件下，基础的受压性能往往比受拉性能要好，因此钢斜柱的受力结构对于基础的要求更低。而八字形钢斜柱的单根立柱受力约为斜拉索和单侧钢斜柱受力的一半，对于基础的要求最低。当光伏电站建设场地不受限制时，采用斜拉索加钢立柱结构形式的端柱结构，可以通过减小倾斜角度，达到最优受力效果，也是目前光伏项目较为常用的拉索结构。但对于地质条件不良，坡顶及坡脚地形无合适锚固位置的项目，可采用八字形钢斜柱或单侧斜钢柱的结构形式，采用此类支架形式，对地质的要求较低，下部基础结构设计简单，结构受力最为合理，相对于进行地基处理，整体效果也较为经济。不同形式的柔性光伏支架结构受力示意图详见图。图 不同形式的柔性光伏支架结构受力示意图 在柔性光伏支架安装过程中，不仅要充分发挥其优势，还要对柔性支架大跨度结构拉索材料的耐久性、布置方向的地貌倾角、结构高差过大风荷载影响、钢结构组件锈蚀等因素进行综合考虑。对于支架跨度较大、拉索材料耐久性及使用寿命的问题，可以综合考虑采用高应力钢索材料，并在钢索两端增加弹性拉索紧固装置，设置固定的拉力参数，并在电站维护过程中定期检查，以抵消拉索在疲劳情况下产生的张力延伸；对于布置方向的地貌倾斜角影响光伏组件安装角度的问题，可以通过调节整个光伏支架的端柱及中间柱的角度，进而调整整个拉索的倾斜角度以满足光伏组件的角度安装需求；大坡度场地的地貌条件会对风荷载的要求限制较大，在组件安装之前，需要对场地风荷载的工况组合进行验算，必要时可以对钢索结构进行横向连接，使整个钢索结构形成一个整体，并加设稳定索及防风索，增加支架与地面连接点，形成空间索网体系，以此加大结构的稳定性和承重性；钢结构材料锈蚀问题是光伏行业面临的难题，光伏支架的设计使用寿命一般在 之间，钢材的锈蚀会严重影响光伏电站的使用寿命，目前国内对于此类问题的常规解决办法是通过热镀锌防腐及漆面防腐的方式进行解决。结语柔性光伏支架在地面起伏较大、坡度较大地貌条件下的应用前景广阔，随着各地平坦地区光伏电站建设趋于饱和，山地将成为未来光伏电站建设发展的主阵地。充分利用柔性光伏支架的结构优势与山地地貌情况相结合，最大限度提升光伏组件发电效率及土地利用率，已成为山地光伏电站发展的大趋势。本文结合工程实例，对大坡度地貌条件下的光伏电站基础及支架结构系统进行对比分析，验证了柔性光伏支架在此类项目中的应用优势，希望可以为后续的同类项目建设提供设计选型参考。另外，柔性光伏支架不仅在山地光伏电站中应用广泛，而且在农光互补、渔光互补等领域应用广泛。随着科技的发展及更多研发力量的投入，柔性光伏支架的材料及结构也将逐步优化，朝着安全、经济、耐用的方向发展。参考文献：李立，吴林，文红晏，等大坡度斜坡光伏支架设计应用分析能源与节能，（）：李成志柔性光伏支架系统构造设计与工程应用建筑技术，（）：王雨光伏组件柔性支架技术方案太阳能，（）：唐俊福，林建平，霍静思柔性光伏支架结构特性分析及其优化设计 华侨大学学报（自然科学版），（）：，光伏发电站设计规范（责任编辑 秦凤荣）