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      新型懸索式支撐系統(tǒng)在漁光互補項目中的應(yīng)用研究

      2022-10-31 10:40:50白榮麗
      太陽能 2022年10期
      關(guān)鍵詞:漁光主索鋼索

      白榮麗

      (西安睿諾航空裝備有限公司,西安 710000)

      0 引言

      目前,漁光互補項目應(yīng)用場景非常豐富,應(yīng)對不同水面條件,傳統(tǒng)的光伏支架系統(tǒng)方案基礎(chǔ)成本較高,且支架樁基礎(chǔ)數(shù)量多、樁間距大,會影響漁業(yè)養(yǎng)殖,嚴(yán)重影響了魚塘土地的開發(fā)利用[1]。

      本文提出了一種新型懸索式支撐系統(tǒng)技術(shù)方案,并研究了該方案在漁光互補項目中的實際應(yīng)用情況。新型懸索式支撐系統(tǒng)是對漁光互補項目應(yīng)用場景拓展的新探索。此方案減少了水上基礎(chǔ)數(shù)量,在保證質(zhì)量的前提下可降低基礎(chǔ)施工成本,縮減水上基礎(chǔ)的建設(shè)周期,對于水面施工中最困難的基礎(chǔ)打樁問題給出了一個較好的解決方案;鋼索下部可利用水域空間大,對水面上船只通行或魚塘內(nèi)養(yǎng)殖的影響小,提高了魚塘土地利用率,有利于魚塘土地開發(fā)利用,具有一定的推廣價值。

      1 新型懸索式支撐系統(tǒng)技術(shù)方案的研究思路

      通過新型懸索式支撐系統(tǒng)的應(yīng)用,可擴(kuò)大鋼支架間距,提升光伏支架下部空間利用率,降低對水面上船只通行或魚塘內(nèi)養(yǎng)殖的影響,改進(jìn)現(xiàn)有漁光互補項目的高支架光伏支撐系統(tǒng)技術(shù)方案空間緊湊、不利于水面上船只通行或魚塘內(nèi)養(yǎng)殖的問題,可以降低當(dāng)前漁光互補項目施工和運維方面的難度,提升可實施性。

      2 新型懸索式支撐系統(tǒng)的優(yōu)勢

      漁光互補項目傳統(tǒng)光伏支撐系統(tǒng)如圖1所示。

      圖1 漁光互補項目傳統(tǒng)光伏支撐系統(tǒng)Fig. 1 Traditional PV support system of fishery-PV complementary project

      從圖1可以看出:漁光互補項目傳統(tǒng)光伏支撐系統(tǒng)的樁間距較小,樁基礎(chǔ)施工量大,樁基礎(chǔ)施工后下部空間有限,不利于船只通行及漁業(yè)養(yǎng)殖捕撈,會嚴(yán)重影響漁業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動。

      新型懸索式支撐系統(tǒng)如圖2所示。

      圖2 新型懸索式支撐系統(tǒng)Fig. 2 New suspension support system

      從圖2可以看出:將光伏組件固定在拉索之上,拉索選用預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料,預(yù)應(yīng)力為其提供了足夠大的剛度,由于拉索主要受拉的特點,其材料強(qiáng)度可被充分發(fā)揮。

      新型懸索式支撐系統(tǒng)的主要優(yōu)勢有:

      1)能夠適應(yīng)不同尺寸大跨度應(yīng)用場景、光伏組件下方通風(fēng)效果好,可靈活調(diào)整跨度、充分適應(yīng)地形、最大限度利用現(xiàn)有魚塘土地資源;

      2)安裝布置方式靈活,可以實現(xiàn)上、下、左、右方向的自由架設(shè),從而可以更好地改善分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的支撐方式;

      3)支架基礎(chǔ)數(shù)量少,無需大規(guī)模場地平整,在節(jié)省場地平整費用的同時,可縮短施工時間約60%,提高了施工進(jìn)度及時間的可控性;

      4)鋼索下部空間大,可充分保證漁船通行及捕撈作業(yè)所需空間,可避免光伏發(fā)電系統(tǒng)對投餌捕撈等漁業(yè)經(jīng)營活動的影響;

      5)相比于傳統(tǒng)光伏支撐系統(tǒng),新型懸索式支撐系統(tǒng)的主材采用型鋼,其剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠度高、對場地基礎(chǔ)要求不高、預(yù)安裝性強(qiáng)。

      新型懸索式支撐系統(tǒng)可通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線釋放應(yīng)力,安全性高,可避免強(qiáng)臺風(fēng)和地震造成的損失。傳統(tǒng)光伏支撐系統(tǒng)為剛性結(jié)構(gòu),直接面對大風(fēng)時容易造成光伏組件隱裂。新型懸索式支撐系統(tǒng)增加了阻尼裝置,讓大風(fēng)時支撐系統(tǒng)的顫動變得緩慢,其網(wǎng)狀柔性結(jié)構(gòu)通過動平衡方式釋放風(fēng)荷載,從而起到保護(hù)光伏組件的作用,不容易產(chǎn)生隱裂。

      將新型懸索式支撐系統(tǒng)與光伏發(fā)電模塊和智能發(fā)電設(shè)備有機(jī)匹配,可以提高漁光互補項目的可靠性和安全性,增強(qiáng)環(huán)境適用能力,提高可復(fù)制性,便于推廣應(yīng)用。

      3 新型懸索式支撐系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及材料構(gòu)成

      新型懸索式支撐系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)分為索系統(tǒng)和支架系統(tǒng)兩部分,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

      圖3 新型懸索式支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 3 Structural brief diagram of new suspension support system

      從圖3可以看出:索系統(tǒng)主要由預(yù)應(yīng)力主索、預(yù)應(yīng)力副索和斜拉索等構(gòu)成;支架系統(tǒng)主要由中間支架、端部支架等構(gòu)成[2]。

      新型懸索式支撐系統(tǒng)的支架材料主要包括:

      1)主索,采用無粘結(jié)、熱鍍鋅鋼絞線,抗拉強(qiáng)度為1860 MPa,采用低松弛、藍(lán)色套管進(jìn)行包裹;

      2)光伏組件與主索間采用專用鋁合金連接件進(jìn)行連接;

      3)端部錨具采用防松多次張拉專用錨具;

      4)抗風(fēng)索為熱鍍鋅鋼絲繩;

      5)地錨采用拉盤及抗拔樁;

      6)端部基礎(chǔ)分為抗拉和抗壓2個部分,根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果選用適合的形式,抗壓部分可以選用獨立基礎(chǔ)樁,抗拉部分可以選用樁深埋基礎(chǔ)或拉盤;

      7)支架部分分為端部支架及中部支架,端部支架可采用“人字架”“立柱+斜拉索”“立柱+撐桿”等形式,中部支架可選用管樁或“鉆孔灌注樁+鋼梁”的形式。

      4 新型懸索式支撐系統(tǒng)的構(gòu)造措施

      除了進(jìn)行以上結(jié)構(gòu)分析外,還必須通過構(gòu)造措施確保光伏發(fā)電系統(tǒng)安全運作。由于風(fēng)荷載對不同區(qū)域的光伏組件影響不同,需將光伏陣列連接成一個整體,利用整體剛度來抵御風(fēng)荷載。

      新型懸索式支撐系統(tǒng)的主索為幾何不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),必須通過增加抗風(fēng)索保證其幾何穩(wěn)定性,并有效承受光伏組件傳來的荷載然后傳遞給鋼結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)??癸L(fēng)索由四角錐、穩(wěn)定索、縱向聯(lián)系索、抗掀索及地錨組成。其中,四角錐為剛性構(gòu)件,其作用是聯(lián)系各種抗風(fēng)索,并將光伏陣列連接成整體;穩(wěn)定索和主索構(gòu)成穩(wěn)定的三角形,可以幫助主索承受向下的風(fēng)荷載和雪荷載;聯(lián)系索將四角錐連接成整體,與撐桿組成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu);抗掀索承受向上掀的北風(fēng);地錨的作用是將四角錐連接到地面,以保持光伏陣列整體的穩(wěn)定。

      預(yù)應(yīng)力鋼索系統(tǒng)采用1860低松弛鍍鋅無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力專用索作為主要受力構(gòu)件,通過施加預(yù)應(yīng)力使其獲得必要的剛度;撓度控制條件為:0 ℃時為1.3%,張拉時需根據(jù)施工時的溫度進(jìn)行調(diào)整。其固有頻率低于2 Hz,屬于對風(fēng)振敏感結(jié)構(gòu),因此有必要采取措施降低風(fēng)振的影響,防止由此而產(chǎn)生的光伏組件隱裂。通過穩(wěn)定索設(shè)置,形成空間結(jié)構(gòu)。沿縱向及橫向設(shè)置抗風(fēng)索形成索網(wǎng),確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,可以有效抵御風(fēng)荷載作用下引起的風(fēng)振影響。

      5 新型懸索式支撐系統(tǒng)的材料加工及施工技術(shù)要求

      5.1 主索布置

      主索一般采用熱鍍鋅1860低松弛無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線,油脂用量及披衣嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行驗收。布索過程中如發(fā)現(xiàn)披衣?lián)p壞處,應(yīng)及時修補,盡量減少接索器的使用,接索器使用率不超過5%,同一根索接索位置不能大于1處。

      5.2 主索張拉

      主索張拉分為兩端張拉和一端張拉2種形式,3跨以上采用兩端張拉,3跨以下(含3跨)采用一端張拉。

      成品索除應(yīng)符合索的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)外,還需滿足索的均勻受力要求。索的制作是指將鋼絞線或鋼絲繩按設(shè)計要求配上錨具、夾具,制成成品鋼索。

      1)精確控制索的下料長度。下料長度應(yīng)等于設(shè)計長度的1.05倍,索的長度是指無應(yīng)力的原始長度。因此,必須估計初始幾何態(tài)和預(yù)應(yīng)力態(tài)的預(yù)應(yīng)力值,通過分析和試驗方法確定索的無應(yīng)力原始長度。鋼索采用直徑為15.2 mm的鋼絞線,一般暴露在室外工作,因此必須重視鋼索的防腐。焊接會降低高強(qiáng)鋼絲的強(qiáng)度,因此高強(qiáng)鋼絲不能焊接。

      2)下料。為了使鋼索受力后各根鋼絲和各股鋼絞線受力均勻,鋼索下料時其長度應(yīng)準(zhǔn)確、等長。下料采用應(yīng)力下料法,將開盤在200~300 Mpa拉應(yīng)力下的鋼絲或鋼絞線調(diào)直,可消除部分非彈性因素。

      3)切割。鋼絲或鋼絞線及熱處理鋼筋的切斷應(yīng)采用切割機(jī)或摩擦圓鋸片,應(yīng)切記采用電弧切割或氣切割,以防損傷鋼絲。

      4)錨具是將鋼索錨固于支承結(jié)構(gòu)或邊緣構(gòu)件上的重要部件,鋼索中的張力通過錨具傳遞到其他構(gòu)件,因此選用可靠的錨具和錨固構(gòu)造是懸索結(jié)構(gòu)安全、可靠的關(guān)鍵。

      5)索的節(jié)點是新型懸索式支撐系統(tǒng)的重要組成部分。索與端部支架連接采用防松多次張拉錨具,與中部支架連接采用索卡,與光伏組件間連接采用專用鋁合金連接件。索卡是節(jié)點中用于固定鋼索位置的主要零件。

      6)張拉前,必須進(jìn)行技術(shù)交底,由經(jīng)過培訓(xùn)的熟練操作人員進(jìn)行操作;張拉機(jī)具必須經(jīng)過標(biāo)定。兩端張拉時,需由專業(yè)操作人員專人負(fù)責(zé)指揮,密切觀察張拉過程,確保安全。采用分級張拉,不可一次加載;張拉時需對稱張拉,防止出現(xiàn)端部支架扭轉(zhuǎn);張拉后,將錨具固定光伏組件安裝螺栓緊固,必要時進(jìn)行二次張拉。

      5.3 光伏組件安裝

      光伏組件安裝采用滑移法。不得將施工荷載傳給主索;采用跨對稱安裝,抱箍不得收緊,防止將主索披衣破損;安裝一榀后進(jìn)行撓度檢測,進(jìn)行二次張拉調(diào)整,檢查光伏組件安裝傾角是否符合要求,必要時進(jìn)行二次張拉調(diào)整。

      5.4 四角錐安裝

      四角錐在地面組裝,組裝完成后,迅速將四角錐安裝就位,四角錐安裝螺栓一律采用防松螺栓,南北最邊緣3跨應(yīng)加密布置;當(dāng)四角錐不在同一條線上時,應(yīng)保證至少1跨重疊;南北最邊緣處聯(lián)系索要有可靠接地,與地錨固定。四角錐的材料應(yīng)進(jìn)行風(fēng)振分析。

      5.5 抗風(fēng)索布置與地錨連接

      抗風(fēng)索分為穩(wěn)定索、聯(lián)系索、抗掀索3種。穩(wěn)定索采用直徑φ10 mm熱鍍鋅鋼絲繩;聯(lián)系索采用φ10 mm熱鍍鋅鋼絲繩;抗掀索采用φ8 mm熱鍍鋅鋼絲繩??癸L(fēng)索在接線完成后方可施工。

      5.6 光伏組件接地線及電纜施工

      光伏組件間連線需具有安裝經(jīng)驗的人員安裝,應(yīng)嚴(yán)格遵守GB 50794—2012《光伏發(fā)電站施工規(guī)范》進(jìn)行施工,嚴(yán)禁野蠻施工;為防止損壞光伏組件,防雷接地需經(jīng)過培訓(xùn)的熟練人員安裝,接線前需由電力專業(yè)設(shè)計人員進(jìn)行技術(shù)交底,接線完成及時檢測,發(fā)現(xiàn)問題及時處理,并做好處理記錄。

      5.7 地錨施工

      地錨需進(jìn)行拉拔試驗,所有連接螺栓均為防松螺栓,鎖卡采用熱鍍鋅處理,地錨可以采用拉盤及抗拔樁,盡量安排在打樁及土方開挖時同時施工,避免由于工序交叉造成返工,延誤工期。

      6 經(jīng)濟(jì)性分析

      新型懸索式支撐系統(tǒng)方案中,應(yīng)用新型支架中間跨立柱均為鉸接搖擺柱,基本只承擔(dān)豎向荷載,可使樁基礎(chǔ)數(shù)量減少10%;應(yīng)用新型支架跨度大、跨度自由的特點,擴(kuò)大支架下部鋼支架間距,鋼支架東西向柱距可增加50%,鋼支架南北向柱距可增加20%;采用SAP 2000、STAAD Pro、3D3S等國內(nèi)外領(lǐng)先的有限元設(shè)計軟件,對新型懸索式支撐系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,并互相驗證、互相補充,得到新型懸索式支撐系統(tǒng)方案理論模型;再通過試驗進(jìn)行支架驗證,深化設(shè)計并優(yōu)化技術(shù)方案,得到最優(yōu)的漁光互補項目新型懸索式支撐系統(tǒng)技術(shù)方案。

      通過漁光互補項目新型懸索式支撐系統(tǒng)技術(shù)方案,可以提升光伏發(fā)電項目與漁業(yè)養(yǎng)殖的友好度,增加漁光互補項目實施落地幾率,建立漁光互補項目開發(fā)和建設(shè)的技術(shù)優(yōu)勢,擴(kuò)展?jié)O光互補項目的開發(fā)。

      采用新型懸索式支撐系統(tǒng)技術(shù)方案的漁光互補項目單瓦造價約為0.9~1.0元/Wp,同條件下采用傳統(tǒng)光伏支撐系統(tǒng)技術(shù)方案時的單瓦造價約為0.8~0.9元/Wp。采用新型懸索式支撐系統(tǒng)技術(shù)方案時,在建設(shè)成本與傳統(tǒng)光伏支撐系統(tǒng)技術(shù)方案相當(dāng)?shù)那闆r下,能夠?qū)崿F(xiàn)鋼索下部水域空間完全可利用,對水面上船只通行或魚塘內(nèi)養(yǎng)殖的影響極小,可高效利用現(xiàn)有魚塘土地,降低成本[3]。

      7 結(jié)語

      本文分別從新型懸索式支撐系統(tǒng)的研究思路、優(yōu)勢、技術(shù)方案及經(jīng)濟(jì)性分析幾個方面進(jìn)行研究分析,提出了一種土地利用率高、適用性和抗腐蝕性較強(qiáng),空間利用率和轉(zhuǎn)換率較高,穩(wěn)定美觀,通透性好,與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)度高的新型懸索式支撐系統(tǒng)技術(shù)方案,可以實現(xiàn)從上、下、左、右4個方向自由安裝,高效解決了漁光互補項目樁基礎(chǔ)施工難度大、漁業(yè)養(yǎng)殖困難等問題,縮短了施工周期,適用于漁光互補項目多種大跨度應(yīng)用場景,為后期漁光互補項目開發(fā)和建設(shè)提供了可靠的解決方案。

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