甘肅省光伏發(fā)電工程中光伏支架及其基礎(chǔ)形式的探討

李欣哲

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，蘭州 730000)

0 引言

面對(duì)全球能源結(jié)構(gòu)過度依賴化石燃料及化石燃料對(duì)環(huán)境污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，可再生能源的開發(fā)利用項(xiàng)目日益增多。近年來，太陽(yáng)能作為一種無污染、獲取方便的可再生能源已得到了極大程度地開發(fā)利用[1-2]。甘肅省地處我國(guó)西北地區(qū)，其地域遼闊、地勢(shì)海拔高，具有年晴天天數(shù)較多、日照時(shí)間長(zhǎng)、大氣透明度好等氣候環(huán)境特點(diǎn)，太陽(yáng)能資源頗為豐富，年最大太陽(yáng)輻射量可達(dá)6000 MJ/m2，全省年太陽(yáng)能資源理論儲(chǔ)量達(dá)241×1012MJ，開發(fā)利用潛力巨大。同時(shí)，《甘肅省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》指出，要把經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)變到依靠科技進(jìn)步、資源節(jié)約、環(huán)境友好的軌道上來。因此，甘肅省可以充分利用其地理及氣候資源優(yōu)勢(shì)，大力推廣光伏發(fā)電項(xiàng)目在該地區(qū)的應(yīng)用[3]。

由于甘肅省的地貌多為沙漠、山地和未開發(fā)的荒地，因此，在這種復(fù)雜地貌下建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目時(shí)，光伏支架及其基礎(chǔ)形式的選擇尤為重要。本文對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目中幾種常用的光伏支架及其基礎(chǔ)形式進(jìn)行了介紹，結(jié)合甘肅省的地理資源情況對(duì)不同光伏支架及其基礎(chǔ)形式的施工難度、施工成本，以及光伏支架的受力特點(diǎn)、材料及制造工藝等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，并選擇出最適合的光伏支架方案，以期可以為甘肅省光伏發(fā)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 光伏支架基礎(chǔ)形式的選擇分析

1.1 光伏支架基礎(chǔ)形式的優(yōu)、缺點(diǎn)及地形地貌適宜性

甘肅省的地形地貌復(fù)雜多樣，而在該地區(qū)建設(shè)的光伏發(fā)電項(xiàng)目多位于山地、沙漠和戈壁地區(qū)，因此這些光伏發(fā)電項(xiàng)目采用的光伏支架基礎(chǔ)形式主要以鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、獨(dú)立柱擴(kuò)展基礎(chǔ)、螺旋鋼管樁基礎(chǔ)、鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，以及近年來在農(nóng)光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用的PHC預(yù)制樁基礎(chǔ)為主[4-6]。各種光伏支架基礎(chǔ)形式的實(shí)物圖及剖面圖如圖1～圖5所示。

圖1 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的實(shí)物圖和剖面圖Fig.1 Photo and section drawing of bored cast-in-place pile foundation

圖2 獨(dú)立柱擴(kuò)展基礎(chǔ)的平面圖和剖面圖(單位：mm)Fig.2 Plane drawing and section drawing of independent column spread foundation(Unit：mm)

圖3 螺旋鋼管樁基礎(chǔ)的實(shí)物圖和剖面圖Fig.3 Photo and section drawing of spiral steel pipe pile foundation

圖4 鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)的實(shí)物圖和剖面圖Fig.4 Photo and section drawing of reinforced concrete strip foundation

圖5 PHC預(yù)制樁基礎(chǔ)的實(shí)物圖和剖面圖Fig.5 Photo and section drawing of PHC precast pile foundation

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合光伏支架基礎(chǔ)形式的特點(diǎn)，對(duì)不同地形地貌特征下各種光伏支架基礎(chǔ)形式的優(yōu)、缺點(diǎn)及其適用性進(jìn)行總結(jié)，具體如表1所示。

1.2 光伏支架基礎(chǔ)形式的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性比較

從地質(zhì)條件來看，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和螺旋鋼管樁基礎(chǔ)適用于一般填土、粘性土、粉土、砂土、砂礫石層等。獨(dú)立柱擴(kuò)展基礎(chǔ)和鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)適用于卵石層或樁基無法成孔的地層等。PHC預(yù)制樁基礎(chǔ)適用于黏性土層。

表1 各種光伏支架基礎(chǔ)形式的優(yōu)、缺點(diǎn)及地形地貌適宜性Table 1 Advantages, disadvantages, terrain and landform suitability of various PV bracket foundation forms

1)經(jīng)濟(jì)性方面：在各類光伏支架基礎(chǔ)形式均適用的同一地質(zhì)條件下，相較于其他類型的光伏支架基礎(chǔ)形式，樁類基礎(chǔ)的價(jià)格較低，在甘肅省應(yīng)用更具有經(jīng)濟(jì)性，因此，本文選擇了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和螺旋鋼管樁基礎(chǔ)。其中，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的價(jià)格比螺旋鋼管樁基礎(chǔ)的價(jià)格略低。

2)施工便利性方面：若光伏發(fā)電項(xiàng)目的場(chǎng)址是在山地地區(qū)且地形復(fù)雜，那么光伏支架基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)時(shí)，機(jī)械設(shè)備的施工難度會(huì)較大。

若采用螺旋鋼管樁基礎(chǔ)，施工時(shí)螺旋鋼管樁與光伏支架立柱螺栓連接高度的調(diào)節(jié)會(huì)更為靈活，施工也更為方便。對(duì)于建在山頂處的光伏方陣，可以通過調(diào)節(jié)螺旋鋼管樁與光伏支架立柱螺栓連接高度及增加螺旋鋼管樁的長(zhǎng)度來滿足光伏組件的設(shè)計(jì)標(biāo)高；對(duì)于建在向南山坡上的光伏方陣，可以通過調(diào)節(jié)螺旋鋼管樁與光伏支架立柱螺栓連接高度，或增加光伏支架立柱的長(zhǎng)度來滿足光伏組件的設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2 光伏支架形式的選擇分析

2.1 光伏支架形式比較

通常，光伏發(fā)電項(xiàng)目中采用的光伏跟蹤器有被動(dòng)式或電驅(qū)動(dòng)式2種。其中，被動(dòng)式的光伏跟蹤器適用于規(guī)模較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)；電驅(qū)動(dòng)式的光伏跟蹤器適用于規(guī)模較大的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其在國(guó)外已有大規(guī)模的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)這兩年也進(jìn)行了大量的應(yīng)用示范，技術(shù)已基本成熟。根據(jù)光伏支架是否配置了光伏跟蹤器，可將光伏支架分為未配置光伏跟蹤器的固定式光伏支架和配置了光伏跟蹤器的光伏跟蹤支架兩大類。其中，跟蹤光伏支架可分為單軸跟蹤光伏支架、雙軸跟蹤光伏支架。下文將根據(jù)甘肅省光伏發(fā)電項(xiàng)目中光伏支架形式的使用情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 固定式光伏支架

在前后排光伏陣列保持最優(yōu)間距且互不遮擋的前提下，根據(jù)計(jì)算得到的最佳太陽(yáng)入射角度設(shè)置固定式光伏支架的傾斜角度。固定式光伏支架可分為可調(diào)與不可調(diào)這2種。目前固定式光伏支架的安裝技術(shù)較為成熟、成本相對(duì)較低、應(yīng)用較為廣泛。而且此類光伏支架的生產(chǎn)制造工藝簡(jiǎn)單、快捷，安裝也極為方便，可大幅縮短施工工期，給光伏發(fā)電項(xiàng)目帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

固定式可調(diào)光伏支架可根據(jù)夏季、冬季這2個(gè)季節(jié)以不同傾斜角度來布置，將光伏支架傾斜角度調(diào)節(jié)到該季節(jié)可使光伏陣列接收到的太陽(yáng)輻照量最高時(shí)對(duì)應(yīng)的角度，以此來提高光伏陣列的發(fā)電量。但固定式可調(diào)光伏支架的缺點(diǎn)是調(diào)整的工作量大，操作要求高，且后期的維護(hù)費(fèi)用較高。

2.1.2 單軸跟蹤光伏支架

單軸跟蹤光伏支架可以分為平單軸跟蹤光伏支架和斜單軸跟蹤光伏支架這2種。單軸跟蹤光伏支架的原理是通過1根旋轉(zhuǎn)軸使光伏陣列的正面始終可以跟蹤太陽(yáng)，旋轉(zhuǎn)軸可實(shí)現(xiàn)任意方向的旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)方向通常為東西橫向旋轉(zhuǎn)或平行于地軸方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸貫通單個(gè)光伏陣列。單軸跟蹤光伏支架對(duì)太陽(yáng)光線進(jìn)行跟蹤時(shí)，只能依據(jù)太陽(yáng)方位角或太陽(yáng)高度角其中一種作為目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

2.1.3 雙軸跟蹤光伏支架

雙軸跟蹤光伏支架是通過2根旋轉(zhuǎn)軸時(shí)刻跟蹤太陽(yáng)光線，保持光伏陣列正面始終與太陽(yáng)直射光線垂直。該類型光伏支架可同時(shí)以太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角為目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

2.2 不同光伏支架形式的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性對(duì)比

對(duì)不同光伏支架形式的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件，不同跟蹤光伏支架對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目發(fā)電量的影響存在差異，投資成本也會(huì)不同，因?yàn)楦櫣夥Ъ茉谔岣吖夥l(fā)電項(xiàng)目整體發(fā)電量的同時(shí)，還會(huì)顯著增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本(其中，雙軸跟蹤光伏支架＞斜單軸跟蹤光伏支架＞平單軸跟蹤光伏支架)；且跟蹤光伏支架的耗電量較大。

與采用固定式不可調(diào)光伏支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，采用固定式可調(diào)光伏支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本增加約2%，發(fā)電量增加3%；采用斜單軸跟蹤光伏支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本增加約26%，發(fā)電量增加15%；采用雙軸跟蹤光伏支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本增加約43%，發(fā)電量增加20%。

鑒于甘肅省使用較為廣泛的3種光伏支架形式，以裝機(jī)容量為3 MW的單個(gè)光伏方陣為例，對(duì)其分別采用固定式光伏支架、固定式可調(diào)光伏支架及平單軸跟蹤光伏支架時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性進(jìn)行比較，具體如表2所示。

從表2可以看出，固定式可調(diào)光伏支架系在甘肅省某光伏發(fā)電項(xiàng)目中應(yīng)用時(shí)略有優(yōu)勢(shì)。但此結(jié)論是在該地區(qū)無制約項(xiàng)目實(shí)施因素的前提下得到的。由于固定式可調(diào)光伏支架的后期維護(hù)費(fèi)用較高，平單軸跟蹤光伏支架的故障率較高，綜合考慮環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益后發(fā)現(xiàn)，甘肅省光伏發(fā)電項(xiàng)目可選擇固定式光伏支架。

表2 采用固定式光伏支架、固定式可調(diào)光伏支架及平單軸跟蹤光伏支架時(shí)單個(gè)光伏方陣的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性比較Table 2 Economic and technical comparison of fixed PV bracket，fixed adjustable PV bracket and flat single-axis PV tracking bracket used in single PV array

3 甘肅省光伏發(fā)電項(xiàng)目中光伏支架的設(shè)計(jì)

3.1 光伏支架的材料

光伏支架主要采用冷彎薄壁型鋼，鋼材的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能均不能低于Q235B，相應(yīng)材料均需附有廠家檢測(cè)報(bào)告或質(zhì)量證明書，其物理力學(xué)性能指標(biāo)需滿足相應(yīng)的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，所有鋼結(jié)構(gòu)均應(yīng)經(jīng)過熱鍍鋅防腐處理或覆鋁鋅防腐處理或采用耐候鋼工藝防腐，以滿足光伏支架25年的設(shè)計(jì)使用要求。目前新型的采用鍍鎂鋁鋅材料的光伏支架的使用率在逐漸提高，尤其是在氣候潮濕、降雨時(shí)間長(zhǎng)的地區(qū)，采用鋼材料的光伏支架很容易被銹蝕，導(dǎo)致坍塌，會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失；而采用鍍鎂鋁鋅材料的光伏支架不易被銹蝕，且其輕巧、易于運(yùn)輸、施工安裝難度小，能大幅減小建設(shè)成本[7]。

3.2 固定式光伏支架的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

固定式光伏支架的整體結(jié)構(gòu)形式為三角形，從下往上分別由立柱、斜梁、斜撐、橫梁組成。該類光伏支架結(jié)構(gòu)的材料采用冷彎薄壁型鋼，且需經(jīng)過熱浸鋅處理。

光伏支架立柱底板與光伏支架基礎(chǔ)之間采用螺栓連接，光伏支架立柱與調(diào)節(jié)板之間采用螺栓連接，安裝時(shí)可以對(duì)立柱的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在光伏支架前、后立柱之間設(shè)置1根斜梁，并由三角件與立柱連接；在斜梁上設(shè)置4根橫梁，且橫梁與斜梁之間采用螺栓連接，橫梁與光伏組件之間由壓塊連接；為了確保光伏支架立柱與斜梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在斜梁與后立柱之間設(shè)置1根斜支撐。

在2個(gè)后立柱之間可設(shè)置2根橫梁，用于放置匯流箱和逆變器。

3.3 光伏支架的受力計(jì)算

進(jìn)行光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)NB/T 10115—2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中的規(guī)定來計(jì)算承載能力極限狀態(tài)下的光伏支架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度、連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形按照正常使用時(shí)的極限狀態(tài)來計(jì)算。光伏支架設(shè)計(jì)中考慮的主要荷載組合是：“永久荷載+風(fēng)荷載+0.7倍雪荷載”和“永久荷載+地震荷載+0.2倍風(fēng)荷載”。光伏支架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計(jì)算時(shí)的荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值如表3所示。

光伏支架在各種荷載作用下應(yīng)滿足NB/T 10115—2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求。光伏支架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的主要控制參數(shù)為：光伏支架結(jié)構(gòu)的立柱柱頂位移不大于立柱柱高的1/60，光伏支架結(jié)構(gòu)的撓度容許值為L(zhǎng)/250(其中L為受彎構(gòu)件的跨度)。

表3 光伏支架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計(jì)算時(shí)的荷載分項(xiàng)系數(shù)取值Table 3 Partial coefficient value of load during calculation of PV bracket structure and components

4 結(jié)論

本文通過對(duì)比各種光伏支架類型及其基礎(chǔ)形式的適用條件、施工難易程度、投資成本，并結(jié)合光伏支架材料等要素，從經(jīng)濟(jì)性和施工便利性考慮，得出甘肅省建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目時(shí)適用于其地質(zhì)條件及施工條件的光伏支架基礎(chǔ)形式及光伏支架形式，以期為甘肅省光伏發(fā)電項(xiàng)目的工程實(shí)踐提供技術(shù)指導(dǎo)。