山地光伏支架基礎(chǔ)選型的研究及設(shè)計(jì)應(yīng)用

陳才生

摘要：全球經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展伴隨著能源供應(yīng)緊張、環(huán)境污染和氣候變化等問題的到來，尋求新的清潔、綠色新能源成為當(dāng)前世界各國(guó)共同研究的新課題。新能源中最具代表性的光伏發(fā)電在近些年來得到了快速的發(fā)展，利用荒地和山地來修建光伏發(fā)電站，在不破壞環(huán)境的情況下實(shí)現(xiàn)清潔能源的利用。山地光伏的水文、地質(zhì)構(gòu)造條件及植被分布復(fù)雜，對(duì)光伏支架的要求比較高，因此面臨著設(shè)計(jì)施工難度大、造價(jià)高、周期長(zhǎng)等問題。本文將從山地光伏發(fā)電站的特點(diǎn)及光伏支架基礎(chǔ)受力特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后詳細(xì)闡述了山地光伏支架的基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)，希望能給到相關(guān)人士一些建議和幫助。

關(guān)鍵詞：山地;光伏支架;受力特點(diǎn);基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

太陽能是最具代表性的新能源，以其分布廣泛和可再生的特點(diǎn)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛地使用，并且在能源結(jié)構(gòu)中的占比越來越大。在我國(guó)隨著光伏發(fā)電站的不斷建設(shè)，可供選擇的平地資源越來越少，因此山地光伏的開發(fā)逐漸走進(jìn)人們的視野。山地光伏的建設(shè)受到地形地勢(shì)的影響，其造價(jià)和布局的難度大大增加，因此需要對(duì)山地光伏支架基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。

一、山地光伏發(fā)電站的特點(diǎn)及支架基礎(chǔ)受力特征

1.1 山地光伏發(fā)電站的特點(diǎn)

山地光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般都是依照天然地形條件采用順坡布置，光伏組件按照所在山地的最佳照射角度進(jìn)行設(shè)置，一般會(huì)將東西方向的傾角順應(yīng)山坡而建，傾角根據(jù)當(dāng)?shù)毓赓Y源及方位角確定。光伏組件的南北方向、東西方向的傾角都是依靠光伏支架系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的，這就要求光伏支架基礎(chǔ)預(yù)留足夠調(diào)整裕度。在山地光伏系統(tǒng)的施工過程中，光伏支架基礎(chǔ)的作業(yè)面較小，不宜使用大型機(jī)械進(jìn)行大范圍內(nèi)的施工，只能人工作業(yè)。山地的地質(zhì)構(gòu)造條件對(duì)于支架基礎(chǔ)的修建來說是非常惡劣的，地面上多為砂礫巖等堅(jiān)硬的巖層，因此支架基礎(chǔ)施工難度增大，全是小范圍的人工作業(yè)，工程工期增長(zhǎng)，導(dǎo)致成本增加。所以山地光伏發(fā)電站的建設(shè)需要考慮多方面的因素，包括太陽能光照資源、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等，確保光伏組件的安裝工作能夠快速進(jìn)行。此外，還需考慮山地光伏電站的后期運(yùn)營(yíng)管理成本。

1.2 山地光伏支架形式及基礎(chǔ)受力特征

山地光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：上層是光伏發(fā)電組件，利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為人類提供清潔綠色的能源。中上層是支撐結(jié)構(gòu)，一般采用鋼結(jié)構(gòu)支架形式。下部為光伏支架的基礎(chǔ)部分，主要承受上部光伏組件和中部支撐結(jié)構(gòu)的重量和風(fēng)荷載。在整個(gè)光伏系統(tǒng)中起著控制作用的是風(fēng)荷載，基礎(chǔ)受力一般有兩種情況，在順風(fēng)工況下，支架基礎(chǔ)主要承受豎向的壓力和水平方向的推力;在逆風(fēng)工況下，支架基礎(chǔ)主要承受向上的拔力和水平方向的推力，因此山地光伏所選擇的支架結(jié)構(gòu)形式既要滿足支架的各種受力特點(diǎn)，還需具有施工簡(jiǎn)單、工程量小的特點(diǎn)。

二、傳統(tǒng)光伏支架基礎(chǔ)施工建設(shè)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)光伏支架基礎(chǔ)施工建設(shè)

光伏支架基礎(chǔ)的施工是光伏發(fā)電站建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，在建設(shè)的過程中受到諸多因素的影響，例如項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件、氣候條件、建設(shè)條件等，由于工程量較大，且施工工期較長(zhǎng)，因此也是光伏發(fā)電站建設(shè)的關(guān)鍵所在。當(dāng)前我國(guó)常用的光伏支架基礎(chǔ)形式有鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)、配重式混凝土支墩基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)和鋼制螺旋樁基礎(chǔ)等。鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)常采用的型式一般有預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和階型現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，施工過程中需要進(jìn)行基坑開挖和土體回填，優(yōu)勢(shì)在于能夠減小不均勻沉降，缺點(diǎn)是工期長(zhǎng)，費(fèi)用高。配重式混凝土支墩基礎(chǔ)，一般也可采取預(yù)制式或現(xiàn)澆式，優(yōu)勢(shì)在于基礎(chǔ)施工無需進(jìn)行基坑開挖及回填，缺點(diǎn)是需要預(yù)先整平場(chǎng)地，并配置足夠的模板。預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)的施工步驟為：打樁機(jī)就位、施打預(yù)制樁、樁頂焊接鋼板，優(yōu)勢(shì)在于基礎(chǔ)穩(wěn)固，缺點(diǎn)是對(duì)機(jī)械設(shè)備和地質(zhì)條件的要求較高，因此使用的范圍較窄。鋼制螺旋樁施工步驟為：打樁機(jī)就位、螺旋樁施工，這種基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)在施工速度塊、樁基施工完成后可立即進(jìn)行支架安裝，缺點(diǎn)是成本高，耐腐蝕性差，對(duì)砂土地質(zhì)不適用。以上這些傳統(tǒng)光伏支架基礎(chǔ)形式一般不能很好適用于山地光伏項(xiàng)目的建設(shè)之中，因此需要我們進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和研究，尋找適合山地光伏支架基礎(chǔ)建設(shè)的方法。

2.2 光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求在不斷的增長(zhǎng)之中，光伏發(fā)電因其適用范圍廣、可再生、清潔綠色的特點(diǎn)在全國(guó)范圍內(nèi)迅速推廣，并且在能源的配比中也逐漸占有更高的比例。我國(guó)的光伏發(fā)電站大多數(shù)都建立在太陽光資源豐富，自然條件惡劣，土地產(chǎn)能低的西北部地區(qū)。隨著光伏發(fā)電站建設(shè)規(guī)模的不斷增加，西北部地區(qū)的平地資源在不斷地減少，因此山地光伏電站的建設(shè)成為當(dāng)前的主要形式。光伏發(fā)電站的建設(shè)需要考慮兩個(gè)方面的因素：首先是地形，光伏電站的設(shè)計(jì)要結(jié)合實(shí)際的地形條件，安裝方式、方陣設(shè)計(jì)、支架設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)選型等因素都要考慮在內(nèi)，這樣才能夠?qū)⒐夥M件的設(shè)計(jì)與光伏支架的設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的匹配，不僅要保證設(shè)計(jì)的合理性，還要保證最大發(fā)電效率。其次是工期及成本，兩者相輔相成，在一定程度上也影響到整個(gè)項(xiàng)目的財(cái)務(wù)測(cè)算。光伏發(fā)電站的支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)面臨著眾多的難點(diǎn)與外在因素影響，再者光伏發(fā)電站的建設(shè)過程對(duì)機(jī)械設(shè)備和建設(shè)材料的要求都很高，這就導(dǎo)致了建設(shè)成本的增加。尤其是建設(shè)山地光伏發(fā)電站，又會(huì)面臨著各種的施工難題，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)和成本的直線上升。

三、山地光伏支架的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)應(yīng)用

光伏支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載是控制荷載。與平地光伏電站設(shè)計(jì)相比，山地光伏荷載取值更加復(fù)雜。風(fēng)載的風(fēng)壓高度變化系數(shù)不僅要考慮地面粗糙度的影響，還應(yīng)考慮地形條件的修正，在山峰及山坡處及與風(fēng)向一致的谷口處，一般風(fēng)荷載比平地處風(fēng)荷載大;在谷地、盆地等閉塞地形，風(fēng)載取值一般比平地處略小。支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形分類設(shè)計(jì)，在確?；A(chǔ)的設(shè)計(jì)安全的同時(shí)，能有效控制成本，有的放矢。

3.2 進(jìn)行新技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

以電動(dòng)支架潛孔鉆機(jī)為代表的新技術(shù)應(yīng)用，表現(xiàn)出了良好的地形適應(yīng)性、高穩(wěn)定性、高安全性等，它的使用十分方便，采用的是人工裝卸的方式。這種新技術(shù)的應(yīng)用效果十分顯著，以風(fēng)化石層和鵝卵石層為例，打孔工作能夠一次性完成，不用進(jìn)行二次打孔。針對(duì)山地光伏發(fā)電站地形復(fù)雜的特點(diǎn)，可以使用電動(dòng)支架潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，它的鉆孔靈活性非常高，且不易產(chǎn)生污染，具有降低人工的工作量，加快工程工期的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛地使用。

3.3 進(jìn)行微型樁設(shè)計(jì)應(yīng)用

在山地光伏發(fā)電站的建設(shè)中，光伏支架基礎(chǔ)的建設(shè)數(shù)量眾多。傳統(tǒng)的支架基礎(chǔ)建設(shè)要求使用挖掘機(jī)進(jìn)行，這樣的施工過程會(huì)造成植被的破壞和渣土的殘留，增加了后期的工作量。支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)地質(zhì)條件選取合適的微型樁形式，利用小型履帶式鉆孔機(jī)進(jìn)行微型樁施工，鉆孔孔徑小且鉆孔深度淺，因此不會(huì)對(duì)周圍植被造成太大的影響，施工成本較低且施工速度快。其次在對(duì)微型樁基礎(chǔ)進(jìn)行回填的過程中，不會(huì)產(chǎn)生大量的基槽余土，更不會(huì)造成環(huán)境污染，符合當(dāng)前對(duì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保的雙重要求。

結(jié)語：綜上所述，我們不難看出光伏發(fā)電站對(duì)于改善當(dāng)前能源緊張和環(huán)境污染問題具有十分重要的作用和意義。我國(guó)當(dāng)前的光伏發(fā)電站的建設(shè)正逐步向著山地光伏的方向進(jìn)行，通過對(duì)光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)和完善，我們?cè)诖_保光伏支架基礎(chǔ)安全性的同時(shí)，逐步降低了其建造成本，未來我們要不斷地對(duì)光伏支架基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)性的創(chuàng)新，更進(jìn)一步縮短工程工期，降低工程成本。

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