沙漠地面光伏電站支架及基礎(chǔ)計算選型設(shè)計

肖江奇

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

近日,國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局發(fā)布“關(guān)于印發(fā)《以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點的大型風(fēng)電光伏基地規(guī)劃布局方案》的通知”,要求在沙漠和戈壁地區(qū)規(guī)劃建設(shè)大型風(fēng)電光伏基地。不同區(qū)域的沙漠地形地質(zhì)狀況千差萬別,極大程度影響了光伏支架結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的選型計算,而支架及基礎(chǔ)的選型直接關(guān)系到支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性、施工難易性及成本合理性。因此,沙漠地區(qū)地面光伏電站設(shè)計初期的支架及基礎(chǔ)選型對整個光伏電站的開發(fā)建設(shè)尤為重要。

本文以騰格里沙漠西緣某光伏電站為例,簡要介紹沙漠地面光伏電站支架及基礎(chǔ)選型計算設(shè)計。

1 太陽能光伏支架及基礎(chǔ)形式簡介

行業(yè)內(nèi)地面光伏電站支架根據(jù)其傾角調(diào)節(jié)方式可分為固定傾角式支架、傾角手動調(diào)整式支架、傾角自動調(diào)整式支架等不同類型,其中傾角自動調(diào)整式支架又可分為平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架、雙軸跟蹤支架。根據(jù)立柱的形式,可將光伏支架分為單立柱支架及雙立柱支架兩種形式。

表1 常用地面光伏支架形式簡介

常用的基礎(chǔ)形式主要包括樁基礎(chǔ)、現(xiàn)澆混凝土獨立基礎(chǔ)等,其中樁基礎(chǔ)根據(jù)樁身組成材料不同可分為預(yù)制管樁基礎(chǔ)、螺旋樁基礎(chǔ)及微孔灌注樁基礎(chǔ)等。

表2 常用地面光伏支架基礎(chǔ)形式

在工程實踐中,應(yīng)針對具體的項目建設(shè)條件,根據(jù)地形條件、地質(zhì)資料和荷載工況,通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選確定適宜的支架結(jié)構(gòu)類型和基礎(chǔ)形式。

2 應(yīng)用案例

該項目位于騰格里沙漠西緣,屬風(fēng)積砂丘區(qū),總體地勢由東南向西北傾斜,地形波狀起伏,主要為半固定沙丘,呈新月形鏈狀分布。

2.1 主要設(shè)計條件

（1）設(shè)計基本風(fēng)壓：0.55 kN/m2；基本雪壓：0.2 kN/m2。

（2）抗震設(shè)防烈度：7 度,設(shè)計基本地震加速度：0.15 g。

（3）建筑場地類別：Ⅲ類。

（4）標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度：1.4 m。

2.2 工程地質(zhì)概況

場址區(qū)根據(jù)地層形成的年代、因素、巖性及物理力學(xué)特征分為2 個地層,其中第2 層又分為2 個亞層,見表3。

表3 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

其中①層中細(xì)砂Q44eol在場區(qū)連續(xù)分布,為光伏支架短基礎(chǔ)的主要持力層,呈淺黃色,干燥,結(jié)構(gòu)松散,極易風(fēng)蝕流動。

2.3 支架及基礎(chǔ)比選

鑒于項目場址區(qū)復(fù)雜的地形、地質(zhì)條件,為確保工程安全可靠運行,減小后期運維成本,本項目選用地面光伏電站中常用的固定傾角式光伏支架形式,將組件固定安裝在支架上,根據(jù)項目地太陽輻射及維度計算后選擇發(fā)電最佳傾角37°,正南向布置。結(jié)合工程地質(zhì)條件、基礎(chǔ)適用性等要求初步判斷,本項目可選基礎(chǔ)形式為預(yù)制管樁基礎(chǔ)及螺旋樁基礎(chǔ)。

根據(jù)工程經(jīng)驗,預(yù)制管樁基礎(chǔ)一般適用于單立柱光伏支架,螺旋樁基礎(chǔ)一般適用于雙立柱光伏支架。為進(jìn)一步確認(rèn)支架及基礎(chǔ)形式,采用Sap2000 三維有限元軟件分別建模進(jìn)行單/雙立柱支架本體結(jié)構(gòu)及柱底荷載計算。

圖1 雙立柱支架體型

圖2 單立柱支架體型

2.3.1支架計算

模型以37°最大發(fā)電量傾角設(shè)置,檁條上部支撐組件,下部與斜梁相連接,斜梁下部與立柱與斜撐連接,立柱與基礎(chǔ)間采用固結(jié)形式連接,基礎(chǔ)東西向間距4.3 m。

圖3 雙立柱支架三維模型圖

圖4 單立柱支架三維模型圖

計算支架時采用25 年風(fēng)、雪荷載工況,計算基礎(chǔ)時采用50 年風(fēng)、雪荷載工況。計算的荷載組合依據(jù)《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（NB/T 10115-2018）,分別求得兩種類型支架主要構(gòu)件截面及基礎(chǔ)頂部荷載。

表4 雙立柱支架主要構(gòu)件重量表

表5 單立柱支架主要構(gòu)件重量表

2.3.2基礎(chǔ)計算

根據(jù)支架計算結(jié)果,雙立柱支架及單立柱支架柱底單節(jié)點荷載見表6、表7。

表6 雙立柱支架樁頂節(jié)點最大反力值

表7 單立柱支架樁頂節(jié)點最大反力值

根據(jù)《太陽能光伏發(fā)電站支架基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（GB 51101-2016）要求,豎向壓力作用下單樁的豎向抗壓承載力特征值應(yīng)滿足豎向拔力作用下單樁的豎向抗拔承載力特征值應(yīng)滿足

螺旋樁的抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按照式Quk=∑uiqsikli+qpkAD估算,螺旋樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按照式Tuk=∑iuiqsikli估算；預(yù)制樁的抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按照式Quk=ua∑qsikli+qpkAd估算,預(yù)制樁的極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按照式Tuk=ua∑i qsikli估算。

當(dāng)采用雙立柱支架方案適配螺旋樁基礎(chǔ)時,螺旋樁本體鋼管采用φ86×4 mm,地面0.6 m 以下間隔1.0 m 設(shè)3 道φ300大葉片,入地深度不應(yīng)小于3.0 m,整樁長不應(yīng)小于3.3 m。單套雙立柱支架采用8 根螺旋樁。

圖5 螺旋樁設(shè)計圖

當(dāng)采用單立柱支架方案適配預(yù)制混凝土管樁基礎(chǔ)時,管樁型號PHC300AB70-3,入地長度不應(yīng)小于2.2 m,整樁長不小于3.0 m。單套單立柱支架采用4 根預(yù)制樁。

2.4 工程投資分析

按照100 MW 約7122 套支架,以經(jīng)濟(jì)性分析兩種形式支架及基礎(chǔ)工程初始投資。計算時鋼材重量取8.5 元/kg,螺旋樁單根采購費用160 元,預(yù)制樁單米采購費用100 元計。

表8 支架工程投資對比表

表9 基礎(chǔ)工程投資對比表

通過以上對比可知,雙立柱支架較單立柱支架費用高約334.89 萬元,螺旋樁基礎(chǔ)較預(yù)制管樁基礎(chǔ)費用低約185.17 萬元,綜合對比雙立柱支架適配螺旋樁基礎(chǔ)較單立柱支架適配預(yù)制管樁基礎(chǔ)費用高約149.72 萬元。

以施工便易性分析,螺旋樁可采用長螺旋樁打樁機鉆至設(shè)計標(biāo)高,施工便捷；預(yù)制管樁可采用打樁機錘擊或靜壓至設(shè)計標(biāo)高,同樣施工方便。

綜合以上分析,考慮初期投資成本后,最終選定單立柱支架基礎(chǔ)方案作為該項目最終實施方案。

3 結(jié)語

選擇光伏支架及基礎(chǔ)形式對光伏電站初期投資影響較大,需要結(jié)合地質(zhì)情況,合理選擇。本文以甘肅省騰格里沙漠西緣新能源基地項目某光伏電站為例,運用有限元計算軟件,從適用性、經(jīng)濟(jì)性及施工便利性等方面對不同形式的支架及基礎(chǔ)形式進(jìn)行了數(shù)據(jù)對比,有效節(jié)省了成本,也為后續(xù)類似工程設(shè)計提供了參考。