新型懸索式支撐系統(tǒng)在漁光互補項目中的應(yīng)用研究

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。