山地光伏支架基礎(chǔ)創(chuàng)新研究及應(yīng)用

何文俊，鄭少平，周于程

(中國(guó)電建集團(tuán)湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430000)

山地光伏支架基礎(chǔ)創(chuàng)新研究及應(yīng)用

何文俊，鄭少平，周于程

(中國(guó)電建集團(tuán)湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430000)

針對(duì)山地光伏復(fù)雜地形和地質(zhì)條件下光伏支架基礎(chǔ)工程量大、支架調(diào)整難度大、基礎(chǔ)工程造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)的難題，在傳統(tǒng)支架基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出了一種可適用于山地光伏的新型支架基礎(chǔ)型式，該型基礎(chǔ)力學(xué)性能好，工程造價(jià)低，施工效率高，能有效適應(yīng)山地光伏應(yīng)用環(huán)境，可在行業(yè)內(nèi)大范圍推廣。

光伏支架基礎(chǔ)；山地光伏電站；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.003

1　引言

太陽(yáng)能作為一種資源豐富，分布廣泛且可永久利用的可再生能源，其在全球能源結(jié)構(gòu)中的比重持續(xù)增大，具有極大的開(kāi)發(fā)潛力[1]。截至2015年9月底，全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3795104kW，1～9月全國(guó)新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量 990104kW，裝機(jī)規(guī)模位居世界首位。“十三五”我國(guó)將持續(xù)壯大太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)規(guī)模，初步規(guī)劃“十三五”光伏裝機(jī)規(guī)模目標(biāo)將達(dá)1.5108kW，即每年新增約2000104kW，光伏發(fā)電容量占能源供應(yīng)的比例進(jìn)一步加大，市場(chǎng)前景極為廣闊[2，3]。

2　傳統(tǒng)光伏支架基礎(chǔ)

光伏支架基礎(chǔ)受項(xiàng)目場(chǎng)址建設(shè)條件及施工環(huán)境影響較大，量多面廣，施工周期長(zhǎng)，是光伏電站建設(shè)過(guò)程中最為關(guān)鍵的內(nèi)容和環(huán)節(jié)之一。目前，廣泛應(yīng)用的光伏支架基礎(chǔ)型式主要有鋼制螺旋地錨基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)、鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)等[4～7]。

鋼制螺旋地錨基礎(chǔ)在鋼制地錨鋼管上以一定螺距、傾角焊接一定數(shù)量和直徑的葉片，形成螺旋型樁體，通過(guò)螺旋錨鉆井機(jī)將螺旋地錨基礎(chǔ)旋進(jìn)地基砂土，多用于粉土、粉質(zhì)黏土等表層土地區(qū)。因鋼制地錨鋼管直接與地基土接觸，需采用熱鍍鋅防腐工藝來(lái)延長(zhǎng)螺旋樁使用壽命，基礎(chǔ)成本相對(duì)較高。

微孔灌注樁基礎(chǔ)為圓柱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樁身較長(zhǎng)，基礎(chǔ)開(kāi)挖土石方量較大。基礎(chǔ)施工工序包含采用專業(yè)機(jī)械設(shè)備鉆孔機(jī)進(jìn)行成孔，綁扎制作鋼筋籠，鋼筋籠定位固定，樁身混凝土澆筑及振搗等，工序繁瑣且施工工藝較復(fù)雜。

預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)在混凝土澆筑前，采用先張法張拉鋼筋，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力后再澆筑混凝土預(yù)制成樁。管樁需采用沉樁機(jī)壓樁施工，對(duì)施工作業(yè)面、機(jī)械化程度要求較高，適用于以人工填土、軟土、黏性土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂為覆蓋層且密實(shí)耐打的地質(zhì)條件，應(yīng)用有限。

鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)多為階梯形現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)開(kāi)挖土石方及回填工程量大。為避免產(chǎn)生較大的不均勻沉降，鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)多用于地基承載力高的場(chǎng)區(qū)，不易調(diào)整基礎(chǔ)高度。同時(shí)基礎(chǔ)施工需要進(jìn)行基礎(chǔ)定位、基礎(chǔ)開(kāi)挖、模板制作、鋼筋綁扎定位、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)、拆模等工序，施工工期長(zhǎng)。

上述傳統(tǒng)光伏支架基礎(chǔ)型式在山地光伏項(xiàng)目建設(shè)中應(yīng)用受限，無(wú)法解決山地光伏地形和地質(zhì)條件下基礎(chǔ)工程量大、基礎(chǔ)投入造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)、支架不易調(diào)整等的難題。本文根據(jù)山地光伏特點(diǎn)，對(duì)支架基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出一種適用于山地光伏的新型支架基礎(chǔ)型式——機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)。

在“十一五”期間，沒(méi)有建立獨(dú)立兒童福利院的地級(jí)以上城市和部分人口多、孤殘兒童數(shù)量大的縣級(jí)市，紛紛新建獨(dú)立兒童福利機(jī)構(gòu)；已經(jīng)建立兒童福利機(jī)構(gòu)的地級(jí)以上城市，對(duì)現(xiàn)有兒童福利機(jī)構(gòu)進(jìn)行改建、擴(kuò)建或重建；已經(jīng)建立社會(huì)福利院的縣（市、區(qū)），新建、改擴(kuò)建相對(duì)獨(dú)立兒童部，旨在為孤殘兒童提供養(yǎng)護(hù)、教育、康復(fù)、娛樂(lè)于一體的多功能綜合性服務(wù)[3][4]。兒童愛(ài)心莊園結(jié)合自身實(shí)際，抓住契機(jī)，積極探索教、康、保三位一體整合服務(wù)模式。

3　機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)樁身呈圓柱體，現(xiàn)澆素混凝土，直徑一般為130～150mm之間，樁身長(zhǎng)度一般不超過(guò)2m，樁身全部埋入地表以下，如圖1和圖2所示。

圖1　基礎(chǔ)正面圖

圖2　基礎(chǔ)剖面大樣

基礎(chǔ)頂部預(yù)埋1根軸對(duì)稱直縫鍍鋅圓形鋼管，避免了角鋼、方鋼等截面不易旋轉(zhuǎn)調(diào)整的弊病，有效解決了山地條件下基礎(chǔ)施工定位不易、質(zhì)量控制難度大的問(wèn)題。支架立柱與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼管采用承插式定位連接，支架立柱可以在基礎(chǔ)鋼管里自由伸縮調(diào)整高度，滿足了山地光伏支架角度的調(diào)整需求。立柱與基礎(chǔ)鋼管通過(guò)緊固螺栓和對(duì)穿螺栓進(jìn)行固定，如圖3和圖4所示，其中緊固螺栓用于立柱高度和支架傾角調(diào)整前的臨時(shí)固定，對(duì)穿螺栓用于調(diào)整完成后的緊固連接。采用螺栓機(jī)械連接，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，操作方便，不需要焊接或現(xiàn)場(chǎng)電源，不受氣候條件影響，施工效率高。

圖3　螺栓連接正視圖

圖4　螺栓連接俯視圖

光伏組件及支架系統(tǒng)為朝南布置，主要荷載為南北向風(fēng)壓及組件自重[8，9]。針對(duì)基礎(chǔ)荷載特點(diǎn)，基礎(chǔ)中預(yù)埋的鍍鋅鋼管沿其主受力方向（南北向）焊接2根帶肋鋼筋，并下引至樁身底部，見(jiàn)圖2。鋼筋長(zhǎng)度根據(jù)基礎(chǔ)成孔深度及樁身長(zhǎng)度靈活選取，鋼筋與預(yù)埋鋼管之間采用滿焊焊接，基礎(chǔ)鋼管和下引鋼筋采用場(chǎng)外集中批量加工方式，生產(chǎn)效率高，可有效提高支架基礎(chǔ)施工效率。

3.2機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)

基礎(chǔ)鋼管沿其主受力方向焊接下引帶肋鋼筋，有效提高了基礎(chǔ)的抗拔性能，增加了基礎(chǔ)鋼管與混凝土的錨固長(zhǎng)度，減小了基礎(chǔ)鋼管的長(zhǎng)度。得益于機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)良好的力學(xué)性能，基礎(chǔ)所需成孔直徑和深度較小，有效降低了支架基礎(chǔ)的工程造價(jià)。

支架立柱鋼管可以在基礎(chǔ)鋼管里面自由伸縮調(diào)整高度，有效解決了山地光伏支架傾角調(diào)整要求高、立柱高度調(diào)節(jié)不易的問(wèn)題，對(duì)地形變化適應(yīng)力強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于低山丘陵、地表障礙物（基巖）出露、局部坡度（高差）變化劇烈等復(fù)雜地形區(qū)域。

基礎(chǔ)施工采用履帶式液壓潛孔鉆機(jī)配合空壓機(jī)進(jìn)行沉孔，穿透力強(qiáng)，可適應(yīng)強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、片巖等堅(jiān)硬地質(zhì)條件，可施工性強(qiáng)。履帶式鉆機(jī)抓地性能好，能適應(yīng)山地起伏、坡度較大的施工作業(yè)面要求。采用機(jī)械化流水線沉孔作業(yè)，單機(jī)單日可沉孔100～200個(gè)，人工成本低，施工效率高。

3.3機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)的工程應(yīng)用及效益分析

機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)已在某設(shè)計(jì)院的多個(gè)EPC總承包光伏并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目工程中得到應(yīng)用，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域覆蓋了云南、新疆、湖北等地，地形為山地、戈壁灘、丘陵，地形及地質(zhì)條件復(fù)雜，如圖5所示。采用該型基礎(chǔ)有效節(jié)約了工程造價(jià)，工程應(yīng)用效果顯著。

圖5　機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)的工程應(yīng)用

云南施甸木瓜山30MWp光伏發(fā)電工程共2760個(gè)一級(jí)陣列，每個(gè)陣列14個(gè)基礎(chǔ)，較該項(xiàng)目可研階段原設(shè)計(jì)方案鋼筋混凝土地錨基礎(chǔ)，共計(jì)節(jié)約工程造價(jià)193.2萬(wàn)元，如表1所示。

表1　云南施甸木瓜山30MWp光伏發(fā)電工程基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比

新疆陽(yáng)光溫泉一期30MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電工程共2940個(gè)一級(jí)陣列，每個(gè)陣列16個(gè)基礎(chǔ)，較該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段提供的鋼筋混凝土微孔灌注樁基礎(chǔ)方案，共計(jì)節(jié)約工程造價(jià)141.12萬(wàn)元，如表2所示。

表2　新疆陽(yáng)光溫泉一期30MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電工程基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比

湖北隨州淅河100MWp光伏發(fā)電工程共18520個(gè)一級(jí)陣列，每個(gè)陣列8個(gè)基礎(chǔ)，較該項(xiàng)目可研階段原設(shè)計(jì)方案鋼筋混凝土地錨基礎(chǔ)，共計(jì)節(jié)約工程造價(jià)518.56萬(wàn)元，如表3所示。

表3　湖北隨州淅河100MWp光伏發(fā)電工程基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比

4　結(jié)論

山地光伏發(fā)電項(xiàng)目市場(chǎng)前景廣闊，光伏支架基礎(chǔ)量多面廣，施工周期長(zhǎng)，是光伏電站建設(shè)過(guò)程中最為關(guān)鍵的內(nèi)容和環(huán)節(jié)之一。本文提出的機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)力學(xué)性能好，工程造價(jià)低，施工方式靈活，機(jī)械化施工效率高，能有效適應(yīng)山地光伏復(fù)雜地形和地質(zhì)條件，對(duì)于傳統(tǒng)光伏支架基礎(chǔ)有較大優(yōu)勢(shì)，在工程實(shí)際應(yīng)用中有效節(jié)約工程造價(jià)，效果顯著，可在行業(yè)內(nèi)大范圍推廣。

【1】喬俊強(qiáng),李世民.全球光伏市場(chǎng)動(dòng)態(tài)與展望[J].太陽(yáng)能，2015(4)：12-16.

【2】國(guó)家能源局.2014年光伏發(fā)電統(tǒng)計(jì)信息[EB/OL].http://www.nea. gov.cn/2015-03/09/c_134049519.htm,2015-03-09.

【3】國(guó)家能源局.國(guó)家能源局關(guān)于下達(dá)2015年光伏發(fā)電建設(shè)實(shí)施方案的通知[EB/OL].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201503/t20150318_ 1891.htm,2015-03-16.

【4】楊文,田富銀.泰國(guó)某光伏發(fā)電示范工程支架基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)探討[J].低碳世界，2014(22):105-106.

【5】閆健,劉健全.大型光伏電站擾動(dòng)區(qū)支架基礎(chǔ)選型的探討[J].太陽(yáng)能.2013(23):36-39.

【6】Umberto Desideri,Pietro Elia Campana.Analysis and comparison between a concentrating solar and a photovoltaic power plant[J]. Applied Energy.2014,113(8):422-433.

【7】Brandon Duquette,Todd Otanicar.Comparative Economic Analysis of Concentrating Solar Technologies[J].J.Sol.Energy Eng.2013,135(2): 145-150.

【8】GB 5007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【9】GB 50797—2012光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Innovation Research and Application of Mountain PV Support Foundation

HE Wen-jun，ZHENG Shao-ping，ZHOU Yu-chen
(Power China Hubei Electric Power Survey&Design Institute,Wuhan 430000,China)

Considering the problems of PV foundation under complex terrain and geological conditions of mountain PV power plant, including large engineering quantity,difficulty of bracket adjustment,high cost and long construction period,anew PV foundation type was proposed innovatively as substitution for traditional PV foundations,which has characteristics of excellent mechanical properties,low cost, high efficiency,strong adaptability for mountain PV power plan,and large-scale promotion in PV industry.

PV foundation曰PV power plant曰innovative design

TU271.1

A

1007-9467（2016）05-0025-03

何文俊(1971～)，男，湖北武漢人，工程師，從事新能源工程設(shè)計(jì)研究，（電子信箱）33076374@qq.com。

2015-12-01