复杂地形条件下光伏柔性支架运用分析.pdf

1182024年1月下 第02期 总第422期油气、地矿、电力设备管理与技术China Science&Technology Overview0 引言多年来，我国增加了对光伏项目的投入，长期的项目实施中形成了相对完善的技术体系。为突显光伏项目的经济、社会优势，在建设光伏电站时有关人员需合理布置支架，但传统的光伏电站一般位于坡度缓且朝向好的地段，固定支架完全满足需求。现阶段，很多光伏电站都位于相对复杂且恶劣的地形条件，必须利用柔性支架发挥作用。相关人员在具体的工作中必须结合光伏电站建设要求、现场地形条件，遵循柔性支架布置要求，加强安装管理，避免支架问题影响光伏发电效率。1 光伏组件柔性支架技术原理及方案设计1.1 技术原理支架是光伏电站中不可或缺的部分。现阶段，很多光伏电站均为柔性支架，即在两固定点之间采用张拉预应力钢绞线的方式，两固定点之间由刚性基础提供反力，二者的间距在 10 30m 之间。柔性支架结构具有特殊性，即使面临较大起伏的山势，其应用效果也相对理想，具体操作中，相关人员仅需在恰当的位置设置基础点，并张拉预应力钢绞线即可1。一些光伏电站项目位于较深的鱼塘，此条件下柔性支架可在保持原有水位的前提下发挥作用。施工建设过程中，钢绞线为支架体系的重点，为发挥其作用，相关人员必须展开一系列分析与计算，考虑其自重条件以及风压、雪压不同荷载组合的各种情况。传统支架有刚性变形要求，但柔性支架无这一方面的严格规定，在大跨度条件下相对适用。1.2 基础设计方案柔性支架是在传统支架基础上进行改进的支架形式，将原先刚性支架中的檩条替换为钢绞线，由钢绞线提供一定的预应力，安装结束后在不同的工况条件下钢绞线存在变形现象，属于大跨度支架，能满足复杂地形条件的需求。在支架中存在钢绞线张拉预应力，柱顶存在水平拉力，基础底部弯矩异常。因此，在具体的设计中有关人员需在柱顶用斜拉或者支撑的方式平衡预应力水平，以达到柱底抗倾覆标准。结合柔性支架的结构形式、受力特征，一般可采用图 1、图 2 两种基础形式。图1 基础方案a斜撑柱基础示意图端柱基础示意图图2基础方案b基础方案如图 1、图 2 所示，基础方案 a 为两个基础，分别为钢立柱基础与斜拉索基础，这两个基础在结构体系中的作用不同。钢立柱基础提供了柔性支架竖向力的反力，而斜拉索基础承担了钢绞线水平线、向上拉力与向右拉力。基础方案 b 同样为两个基础，分别为钢立柱基础与斜撑柱基础，钢立柱基础在柔性支架的作用与 a 中的钢立柱基础一样，而斜撑柱基础承担钢绞线拉力、钢绞线对斜撑柱基础的向下压力、向右推力2。2 项目概况以某 40MW 光伏发电项目为例，建设主管部门明确收稿日期：2023-06-15作者简介：高原（1979），女，贵州贵阳人，高级工程师，研究方向：工业与民用建筑。复杂地形条件下光伏柔性支架运用分析高原易金刚（中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081）摘要：电力需求增长的过程中，光伏发电这一全新的方式走入人们的视野并受到广泛关注。因为光伏发电实现了太阳能向电能的转化，具有清洁性、经济性优势，未来有较大的发展潜力。目前，许多光伏电站都建在复杂地形条件下，传统固定支架布置受到了严重干扰，为克服不利地形影响，柔性支架受到了较大关注，其特殊结构决定了其在复杂地形中具有适用性。基于此，以某光伏项目为例，分析复杂地形条件下光伏柔性支架的具体应用，以期为实际工作提供指导。关键词：复杂地形；光伏发电项目；柔性支架；运用中图分类号：F273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064(2024)02-0118-031192024年1月下 第02期 总第422期油气、地矿、电力设备管理与技术China Science&Technology Overview规定了并网时限，为得到项目电价补贴，获得更高的项目收益，项目单位在未完成土地征租前就进入了项目实施阶段。根据本项目所在地区属于山地地形，地势起伏大，项目建设施工中受林地、水源保护区、国家级景区、生态红线等限制，现场土地资源有限，地块呈现分散化特点。设计人员在前期阶段经过一系列调研，在选定的地块上尝试采用固定式支架，具体的施工中需 1300m2可完成 40MW容量布置。固定式支架虽然为光伏电站项目中比较常用的支架形式，但本项目因为地形条件相对复杂，空间利用率偏低，25MW 容量使用土地 1000m2，平均用地为 40m2/MW，远远超出预期用地面积。因此，从项目进度与效益等角度出发，选用柔性支架。柔性支架的优越性有 6 点：一是跨度大且跨度范围可调节性较大，实际的施工作业中相关人员可根据需求调节；二是土地空间利用率较高；三是操作方法简单，具有良好的通风性，更能保障发电效率；四是抗裂性相对理想；五是钢材消耗量少，承重低且投资少；六是场地基础要求低，预装性强，施工效率高。3 柔性支架设计光伏电站项目中，现场土地资源相对有限，为最大程度利用土地资源，降低用地成本，在安装柔性支架时一般将其布设在普通支架无法安装的区域，以达到容量增补的目的。根据项目现场情况，最大区域为某 90m2地块，该区域的走向属东偏南，坡度在 20 26之间，光伏柔性阵列设计跨度为 14m，布设轴向东偏南 39，设计法向正南 20，端部、中部倾角分别为 12、113。光伏阵列中部排桩间距、列柱间距分别为 4m、14.3m，设计高度为1.5m。此区域内经由综合分析与计算，安装组件的数量为 13704 块，可安装容量为 6.19MW。柔性支架系统为14m 小跨度，主索选择几何不稳定结构。为达到稳定性、安全性标准，相关人员需给主索增设抗风索、杆，使支架结构体系有足够的能力承受各个组件传递的荷载，并将其受到的作用力再作用到钢结构与基础上。太阳能光伏电站的运行过程中，弯矩的存在可能降低支架抗风性，因此设计人员需合理确定固定索位置，一般将固定索固定在与光伏板边缘 0.2 倍板长度范围内。本项目设计中有稳定杆，在此部件下形成整体空间结构，沿纵向、横向设置抗风杆网，可增强结构性能，即使出现较大的风荷载，结构也不会出现明显的变形。端部与中部桩采用钢结构，相关人员需综合分析缆绳的预应力、承重要求，以确保构件尺寸、结构强度符合相关标准和要求。4 复杂地形中光伏柔性支架的运用要点4.1 工序施工安装考虑到光伏项目所在地的地形条件，必须布设柔性支架。在此支架系统中，无黏结预应力技术为关键，通过对索施加预应力，增强索的刚度。当索、撑杆稳定性符合要求后，支架系统即使受到较大的风荷载，也不会因风振而出现结构风险。系统中使用了专用连接件，现场作业中滑移法较为有效，且施工相对便捷，整个作业期间只需要遵循相应的操作规范，在安装、维修阶段对索不会产生较大干扰。柔性支架系统内包含诸多构件，安装期间相关人员需遵循以下流程。第一，根据设计规定开展测量放线，得到测量结果后开挖电缆沟、防雷接地沟，注意控制开挖尺寸与深度。第二，钻孔，当成孔通过验收后，在其中安放钢筋笼。第三，灌注混凝土并安装钢结构。第四，主索放线，安装防雷接地网。第五，主索安装与张拉。第六，安装光伏板。第七，电气连接。第八，检查与验收4。柔性支架与传统固定支架相比较，具有一定的特殊性。首先，柔性支架所需的立柱相对较少，但其桩基立柱尺寸相对较大，多为混凝土独立基础或者条形基础，立柱选择厂家预装的 H 型钢柱。其次，柔性支架的跨度大，与地面相距高度大，主要利用滑移法施工，如果部分区域内的高差异常大，还需通过安全绳悬吊施工人员的安装方法，施工风险大、操作不当和管理问题易造成安全事故。最后，预应力钢绞线张拉操作难度大、要求高，需由专业人员负责。4.2 后期检修维护柔性支架系统在复杂地形光伏电站项目中有突出作用，在投入使用后必须安排专人负责检修与维护。与传统支架体系相比，柔性支架的检修、维护更专业，难度更大。通常来说，固定支架主要通过风吹、干刷、水洗等方式清洗；柔性支架与地面的高度较大，清洗主要为水洗。如果电站运行中光伏组件出现破损或者其他问题，人工更换也面临诸多难题，需要专业人员进行处理。柔性支架暴露在自然条件下，潮湿、酸雨、太阳辐射等都会影响预应力钢索的性能，再加上长期的荷载与振动作用，预应力钢索的承载力逐步降低，日常维护中相关人员需加强钢索防护。4.3 荷载组合光伏电站的特殊性决定了在复杂地形中应用柔性支架时必须遵循安全性标准。结合柔性支架系统的特征，分析结构自重、自重与雪荷载共同作用、自重与风荷载共同作用的情况。因为受力特点不同，在计算荷载时应选择不同的方式，分析受力时也需组合不同的荷载效应。在不同温度条件下，钢绞线可能发生膨胀或者收缩现象，预应力无法维持原状，使钢绞线位移增大或者减小。4.4 张拉工序张拉为柔性支架中的关键操作步骤，为避免操作不当1202024年1月下 第02期 总第422期油气、地矿、电力设备管理与技术China Science&Technology Overview引起的结构风险，有关人员需遵循特定的张拉顺序，一般应先张拉前钢绞线，再张拉后钢绞线。张拉后钢绞线几乎不影响前钢绞线的性能，张拉前钢绞线将使后钢绞线承受应力损失5。如果将前钢绞线预应力张拉到设计值，但钢绞线未松紧，端柱扭矩异常，再缺乏必要的管理和控制，就可能伴随扭转变形现象，此时柔性支架难以保持良好的结构性能。为防止端柱截面扭矩过大，有关人员需多次张拉操作。第一遍张拉期间，前、后钢绞线预应力都张拉到0.2 倍预应力。第二遍张拉时，前钢绞线、后钢绞线的预应力都需张拉到 0.4 倍预应力。多次循环操作，达到预应力值。如果摇摆柱对钢绞线轴向变形无约束，在钢绞线张拉方面按照单边张拉要求开展。反之，如果摇摆柱约束钢绞线轴向位移，应左右对称张拉6。4.5 工程造价对比光伏发电项目中，柔性支架属于一种新型的支架形式，虽在光伏项目中有一定应用，但其市场占比较低，主要是因为这类型支架的前期研发费用相对较高。将该类支架用于光伏发电项目后，可以节约土地资源，节省土地费用，抵消前期高额的研发费用。如果光伏电站所在地区的地形地势条件相对复杂，柔性支架将具有价格方面的优势。本项目在征租地方面上遇到了诸多困难，无法与规划容量的土地面积需求一致，从成本、进度管理等角度来看，部分地块可采用柔性支架7。结合实际的施工分析，在支架基础、组件安装、逆变进线端前的全部流程和要素中，柔性支架施工成本为 0.96元/Wp，而固定支架施工成本仅为 0.625 元/Wp，前者的施工费用明显较高。但柔性支架的土地利用率较高，本项目中的土地资源相对紧缺，再加上高昂的租赁费用，柔性支架（含土地）整体成本为 1.136 元/Wp，而固定支架（含土地）的成本为 1.13 元/Wp，二者在成本方面的差异较小。在保障施工效率的过程中，柔性支架对改善项目中的土地紧张局面较有效。5 结语虽然固定支架在光伏发电项目中有较为成功的应用，但固定支架在当前一些复杂地形的光伏发电项目中暴露了诸多问题，而柔性支架受到了人们的一致关注。未来，随着光伏发电项目的增多，相关人员需从实际情况着手，合理采用柔性支架，并加强安装管理，做好后续的检修与维护，保障柔性支架能在光伏发电项目中发挥其作用。参考文献1 李成志.柔性光伏支架系统构造设计与工程应用J.建筑技术,2021,52(9):1120-1122.2 李立,吴林,文红晏,等.大坡度斜坡光伏支架设计应用分析J.能源与节能,2021(3):202-204.3 宁勇平,袁翼轸,张果,等.基于柔性支架的光伏电站的研究与设计J.农村电气化,2021(3):55-59.4 王泽国,赵菲菲,吉春明,等.多排大跨度柔性光伏支架的振动控制研究J.武汉大学学报(工学版),2020,53(S1):29-34.5 刘兴佳,崔国桥,于恺,等.太阳能光伏柔性支架体系研究J.中国新技术新产品,2020(2):79-81.6 杨松.太阳能光伏支架受力特征的限元研究J.中国科技纵横,2017(15):54-55.7 杨韬.浅析复杂地形条件下光伏柔性支架应用J.电力设备管理,2023(2):143-145.Analysis of Photovoltaic Flexible Support Application Under Complex Terrain ConditionsGAO Yuan,YI Jingang(Powerchina Guizhou Electric Power Engineering Co.,Ltd.,Guiyang Guizhou 550081)Abstract:In the process of increasing electricity demand,photovoltaic power generation,as a new way,has entered peoples vision and received widespread attention.Because photovoltaic power generation achieves the conversion of solar energy into electricity,it has advantages in cleanliness and economy,and has great development potential in the future.At present,many photovoltaic power stations are built under complex terrain conditions,and the traditional fixed bracket layout has been severely disturbed.To overcome the adverse terrain effects,flexible brackets have received great attention,and their special structure determines their applicability in complex terrains.Based on this,taking a photovoltaic project as an example,analyze the specific application of photovoltaic flexible brackets under complex terrain conditions,in order to provide guidance for practical work.Key words:complex terrain;photovoltaic power generation project;flexible support;application