柔性光伏支架的施工方法淺析

趙 巖

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122 )

0 引言

在能源愈發(fā)珍貴的背景下，太陽能作為綠色、清潔的可再生能源倍受人們關(guān)注，隨著化石能源儲量日漸減少，太陽能產(chǎn)業(yè)蘊(yùn)藏的經(jīng)濟(jì)性和投資價值也越發(fā)突出[1-2]。發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)中國“雙碳”目標(biāo)重要舉措[3-4]。在近年中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，光伏發(fā)電應(yīng)用場景多集中在沙漠、戈壁、屋頂?shù)?，且這些光伏發(fā)電項(xiàng)目采用的光伏支架多為傳統(tǒng)的剛性光伏支架，占地面積大，對場地平整度的要求較高，項(xiàng)目的建設(shè)發(fā)展受限于土地資源[5-7]。柔性光伏支架的提出實(shí)現(xiàn)了在各類復(fù)雜地形場景下建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目的目標(biāo)。柔性光伏支架的占地面積小，對場地平整度的要求低，這些特點(diǎn)也使建設(shè)農(nóng)光互補(bǔ)、林光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等類型光伏發(fā)電項(xiàng)目的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，極大地提高了單位土地面積的太陽能利用率，充分利用空間資源及太陽能資源，是實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)業(yè)融合、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要舉措，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值[8]?；诖?，本文從光伏支架工程應(yīng)用的角度出發(fā)，對柔性光伏支架的技術(shù)原理進(jìn)行簡要介紹，并以浙江省開化縣某林光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，對柔性光伏支架的施工方法與施工工藝流程進(jìn)行總結(jié)。

1 柔性光伏支架的技術(shù)原理

柔性光伏支架是將傳統(tǒng)的剛性光伏支架中的檁條替換為柔性鋼絞線，將光伏組件安裝在鋼絞線上，通過鋼絞線提供反力。柔性光伏支架具有結(jié)構(gòu)、材料簡單，耗材少，建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大跨度布設(shè)，且受地形地貌的影響較小。

2 項(xiàng)目背景

本文以浙江省開化縣裝機(jī)容量為80 MW 的林光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，簡述柔性光伏支架的施工方法與工藝流程。該林光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目的位置圖如圖1 所示。

圖1 該林光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目的位置圖Fig.1 Location map of the forestry-PV complementary power generation project

需要指出的是，該林光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地為低山地形，場地四周環(huán)山，山勢連綿起伏、地勢陡峭，高程約為250～650 m，相對高差為400 m。光伏場區(qū)內(nèi)的地貌為原始山坡，地勢起伏較大，坡度可達(dá)40°～45°。由于項(xiàng)目的占地面積較大，約為1542.48 畝(1 畝約為666.67 m2)，因此為了適應(yīng)陡峭山地地形，項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)放棄了難以安裝的傳統(tǒng)剛性光伏支架，而是采用了復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的柔性光伏支架。項(xiàng)目的光伏組件采用峰值功率為550 W 的單玻單晶硅光伏組件。

柔性光伏支架及支架基礎(chǔ)均處于山坡上，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)多為微孔灌孔樁，光伏組件固定于鋼絞線拉索上?？紤]到該項(xiàng)目的占地面積較大，而柔性光伏支架在受風(fēng)較大區(qū)域不宜采用，導(dǎo)致光伏支架難以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，會不可避免地存在少量間隙。因此，為保障項(xiàng)目建設(shè)用地的利用率，部分間隙采用固定光伏支架填補(bǔ)；同時，為確保光伏支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限可達(dá)到25 年，柔性光伏支架的鋼構(gòu)件選用鍍鋅防腐材料。施工結(jié)束后，項(xiàng)目現(xiàn)場柔性光伏支架的局部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 柔性光伏支架的施工工藝流程與施工方法

在實(shí)際山地光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)工程中，柔性光伏支架的具體施工工序及施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 柔性光伏支架的具體施工工序及施工工藝流程Fig.3 Specific production processes and process flow of flexible PV brackets

下文對柔性光伏支架施工工藝流程中各工序的具體施工方法及要求進(jìn)行介紹與總結(jié)。

3.1 施工前準(zhǔn)備

施工前應(yīng)詳細(xì)研究在復(fù)雜山地架設(shè)柔性光伏支架并順利發(fā)電并網(wǎng)的項(xiàng)目需求，進(jìn)而制定具體的施工方案和計(jì)劃。同時，根據(jù)工程要求和設(shè)計(jì)圖紙，施工前的準(zhǔn)備工作還應(yīng)實(shí)施以下幾點(diǎn)：

1)核驗(yàn)具體的施工圖與施工現(xiàn)場可能存在的矛盾問題，例如：圖紙中柔性光伏支架結(jié)構(gòu)的尺寸異常；樁基測量放樣點(diǎn)遇到孤石阻礙，成孔困難等，需提前兼容好施工圖與施工現(xiàn)場的匹配性。

2)針對可能存在的矛盾問題，制定專項(xiàng)處置措施，編制具體指導(dǎo)施工作業(yè)書。例如：對阻礙樁基施工的孤石進(jìn)行人工挖除；在陡峭地形施工前，人工提前修建施工便道等。

3)根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，編制樁基、柔性光伏支架，以及柔性鋼絞線的詳細(xì)施工方案。

4)按計(jì)劃布置施工現(xiàn)場，并提交當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)行政主管部門(例如：發(fā)展和改革委員會、環(huán)保部門、林業(yè)部門、城市規(guī)劃行政主管部門、國土資源部門、電網(wǎng)等有關(guān)單位和部門)進(jìn)行審批。

5)依照項(xiàng)目的施工進(jìn)度規(guī)劃各類材料的用量計(jì)劃，保障施工順利進(jìn)展。

3.2 樁基施工

樁基施工前的測量定位工作是保障工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，測量放線根據(jù)GB 55018—2021《工程測量通用規(guī)范》[9]中的要求開展，施工期間所有施工定線均需進(jìn)行復(fù)測驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后才可以進(jìn)行機(jī)械成孔。

樁孔的中心位置偏差應(yīng)在±20 mm 之內(nèi)，樁孔深度允許偏差在+50 mm 以上(即只能深不能淺)，樁孔垂直度允許偏差為小于等于樁長的1%，孔底的沉渣厚度應(yīng)小于等于50 mm。

需要強(qiáng)調(diào)的是，鉆孔成型后，應(yīng)立即檢查孔的完整度情況，查看是否出現(xiàn)垮孔或孔深不夠等現(xiàn)象；若出現(xiàn)垮孔嚴(yán)重或孔深不夠的情況，需要進(jìn)行再次成孔，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。同時，施工人員或機(jī)械設(shè)備通過時嚴(yán)禁碾壓已成型的孔洞，對已落入孔底的浮土，需采用人工清理的方式，清理干凈后再進(jìn)行下道工序的施工。

3.3 鋼筋籠的制作與安裝

對于鋼筋籠的制作，采用機(jī)械下料、人工焊接的方法。制作時，應(yīng)從鋼筋選料的源頭杜絕工程安全隱患，選用具有質(zhì)量合格證明的合格鋼筋，并進(jìn)行復(fù)測檢驗(yàn)，以保證鋼筋質(zhì)量；對已進(jìn)場的鋼筋，應(yīng)按類別分區(qū)堆放，并做好區(qū)分標(biāo)識。

特別說明的是，鋼筋加工過程同樣需要嚴(yán)格控制，需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙對鋼筋的形狀、尺寸進(jìn)行加工，在加工過程中需要避免鋼筋表面受到外界的二次污染。

3.4 鋼管預(yù)埋安裝

鋼管預(yù)埋安裝時，其應(yīng)與樁基的鋼筋籠連接固定，鋼管與鋼筋籠上的鋼筋采用焊接方式進(jìn)行固定，鋼管中垂線與樁身中垂線應(yīng)重合，使鋼管安裝垂直不傾斜。

需要強(qiáng)調(diào)的是，同樣需要對鋼管尺寸進(jìn)行規(guī)范處理，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工。預(yù)埋安裝前，應(yīng)先對加工后的鋼管尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)校核，校核無誤后才可以進(jìn)行預(yù)埋安裝。

3.5 混凝土澆筑

樁基澆筑用混凝土采用現(xiàn)場攪拌的方式。本工程采用C30 混凝土，其配合比為“水∶水泥∶砂∶石子=0.38:1.00:1.11:2.72”。其中，砂通常選用含泥量不超過3%的中砂；石子通常選用質(zhì)地堅(jiān)硬且粒徑在5～40 mm 之間的碎石。

此外，為保證混凝土澆筑的施工質(zhì)量，還必須開展以下幾點(diǎn)保障措施：

1)協(xié)調(diào)好各工種的工作配合；

2)嚴(yán)格按照配合比攪拌混凝土，確保計(jì)量準(zhǔn)確；

3)施工過程中應(yīng)反復(fù)檢查混凝土的塌落度及水灰比，每臺班至少檢查4 次，同時預(yù)留好混凝土試塊。

3.6 鋼支架的安裝施工

鋼支架是將柔性鋼絞線所受荷載傳遞至地面的關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)，為整個柔性光伏支架體系中的剛性組成部分。鋼支架的安裝施工流程可總結(jié)為：基礎(chǔ)施工及預(yù)埋件定位→鋼支架現(xiàn)場拼裝→安裝端部鋼架(調(diào)校端部鋼架垂直度)→端部斜支撐安裝→依次安裝中間鋼架(調(diào)校中間鋼架垂直度)。鋼支架的整體結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖4 所示。

圖4 鋼支架的整體結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.4 Diagram of overall structural layout of steel bracket

鋼支架的安裝施工中，最重要的工作為柔性鋼絞線的安裝。柔性鋼絞線(主索)為柔性光伏支架體系的核心，其空載鋪設(shè)順序以150 m 作為1 個可張拉的固定單元。每個固定單元的柔性鋼絞線(主索)與螺桿的組合尺寸如圖5 所示。圖中：R為錨具鎖定板平面半徑；Q345B 代表鋼材型號；YJM9.5-1 代表錨具型號。

圖5 柔性鋼絞線(主索)與螺桿的組合尺寸(單位：mm)Fig.5 Combination size of flexible steel wire rope(main cable) and screw (Unit：mm)

柔性鋼絞線(主索)在空載狀態(tài)下的鋪設(shè)及張拉順序有兩種，如圖6 所示，下文分別進(jìn)行具體介紹。

圖6 柔性鋼絞線(主索)在空載狀態(tài)下的鋪設(shè)及張拉順序Fig.6 Laying and tensioning sequence of flexible steel wire rope (main cable) under no-load state

1)第1 種鋪設(shè)及張拉順序：從一側(cè)(東或西方向的一端)開始分別向另一側(cè)全部鋪設(shè)(圖6中的“1 →2 →3 →4”或“4 →3 →2 →1”)，即每個固定單元柔性鋼絞線都沿東西方向鋪設(shè)完成后，再進(jìn)行下一個固定單元柔性鋼絞線的鋪設(shè)。待柔性鋼絞線鋪設(shè)完成后，再將拉桿及纜風(fēng)繩安裝到位，此時緩沖彈簧的張緊力調(diào)至約1 kN 即可，需要在光伏組件鋪設(shè)完成后再次調(diào)整緩沖彈簧的張緊力，以保證纜風(fēng)繩不松弛，且光伏組件在風(fēng)力作用下無明顯擺動。

2)第2 種鋪設(shè)及張拉順序：由東西兩端同時向中間鋪設(shè)(圖6 中的“1(4)→2(3)”)，即每個固定單元柔性鋼絞線都從兩端部向中間鋪設(shè)，沿東西方向鋪設(shè)完成后，再進(jìn)行下一個固定單元柔性鋼絞線的鋪設(shè)。待鋼絲繩鋪設(shè)完成后，再將拉桿及纜風(fēng)繩安裝到位，同樣，此時緩沖彈簧張緊力調(diào)至約1 kN 即可，需要在光伏組件鋪設(shè)完成后再次調(diào)整緩沖彈簧的張緊力，以保證纜風(fēng)繩不松弛，且光伏組件在風(fēng)力作用下無明顯擺動。

需要指出的是，柔性鋼絞線(主索)空載鋪設(shè)完成后，每跨的下?lián)现敌杩刂圃?0 mm 之內(nèi)，一定要保證每排光伏組件上的兩條柔性鋼絞線撓度值相同，且單塊光伏組件所在平面內(nèi)兩條柔性鋼絞線的間距控制在1400 mm(允許偏差為±3 mm)，此時鋼支架端部螺桿兩側(cè)各伸出的長度應(yīng)控制在50 mm，以便留出較長的伸縮余量，保證后續(xù)張拉的使用。此外，為了降低鋼支架頂端平面外的側(cè)拉力，鋼支架頂端在張拉力作用下，立柱單向受力不宜大于6.9 kN。當(dāng)該值不易確定時，應(yīng)采用軸力計(jì)進(jìn)行檢測，若柱頂同時有不對稱的兩組反向側(cè)拉力時，應(yīng)進(jìn)行抵消，抵消后的差值確定后再進(jìn)行張拉。當(dāng)單向受力值或抵消后的差值超出上述規(guī)定(6.9 kN)時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)妮o助設(shè)施(即臨時支撐，斜拉)加以臨時固定，以避免鋼支架受力超限出現(xiàn)較大的傾覆，對鋼支架及支架基礎(chǔ)造成破壞。

3.7 光伏組件安裝

柔性鋼絞線(主索)空載鋪設(shè)完成后，應(yīng)保證每兩條柔性鋼絞線之間的間距(平面內(nèi)垂直投影)相等，且每條柔性鋼絞線的撓度值相同。待空載狀態(tài)下的柔性鋼絞線調(diào)整完成后，開始鋪設(shè)光伏組件，光伏組件的鋪設(shè)順序示意圖如圖7所示。

圖7 光伏組件的鋪設(shè)順序示意圖Fig.7 Schematic diagram of laying sequence of PV modules

另外，在光伏組件安裝過程中需要注意的是：

1)光伏組件的安裝至少要有兩人配合作業(yè)。可先將固定壓塊固定于光伏組件上，再由兩個人一同將1 塊光伏組件安裝到柔性鋼絞線端，要保證固定壓塊擰緊時4 個接觸點(diǎn)的受力均勻。

2)光伏組件鋪設(shè)過程中，應(yīng)保證光伏組件橫向與柔性鋼絞線平行，按南北方向兩塊光伏組件之間的間隔為200 mm 整齊布置；光伏組件的橫向間隔(即東西向間隔)均勻，且間距控制在100 mm，有連桿處間距控制在120 mm。

3)每跨光伏組件的下?lián)现悼刂圃?50 mm以內(nèi)。

4)光伏組件固定壓塊緊固無松動，彈性墊片放置在螺母側(cè)壓實(shí)。

5)光伏組件邊框無扭曲變形、拐角無開裂。

6)在光伏組件搬運(yùn)及安裝固定過程中應(yīng)做好防護(hù)措施，避免因人為操作不當(dāng)造成光伏組件的損壞。

3.8 柔性鋼絞線(主索)的二次張拉

通常待光伏組件鋪設(shè)完成后，或由于短時間的負(fù)荷作用下柔性鋼絞線( 主索) 由空載狀態(tài)變?yōu)樨?fù)載狀態(tài)，此時柔性鋼絞線( 主索) 的撓度值增大，柔性鋼絞線( 主索) 由松弛階段向彈性階段轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過程中造成的柔性鋼絞線( 主索) 的伸長屬于結(jié)構(gòu)性伸長，即為永久伸長。

應(yīng)在光伏組件鋪設(shè)完成后對柔性鋼絞線(主索)進(jìn)行第1 次撓度值檢測，撓度值超出規(guī)定要求的150 mm 時，應(yīng)同時擰動單跨兩端端部的調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行二次張拉(螺桿螺母應(yīng)車絲加工，安裝前涂敷潤滑油脂，兩端同時張拉以避免光伏組件向一側(cè)偏離)，每根柔性鋼絞線(主索)的張拉力為15 kN，二次張拉順序按照柔性鋼絞線(主索)空載狀態(tài)下的鋪設(shè)張拉順序(見圖6)操作。

柔性光伏支架鋼結(jié)構(gòu)的施工流程如圖8所示。

圖8 柔性光伏支架鋼結(jié)構(gòu)的施工流程Fig.8 Construction process of steel structure of flexible PV bracket

此外，為確保工程施工的安全穩(wěn)定，待工程施工完成后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測周期，先以1 周為檢測周期，再以1 個月為檢測周期，進(jìn)行鋼絲繩伸縮量及撓度值的檢測。若檢測中出現(xiàn)柔性鋼絞線跨中的伸縮量及撓度值增大，或同一排光伏組件的兩根柔性鋼絞線下?lián)现挡灰粯拥那闆r時，應(yīng)逐一進(jìn)行二次張拉，直到調(diào)整至同一跨柔性鋼絞線最低點(diǎn)處于同一標(biāo)高且撓度值相同，讓柔性鋼絞線達(dá)到伸縮穩(wěn)定狀態(tài)為止。例如：某處柔性鋼絞線，7 天時的跨中撓度值為70 mm，而30 天時的跨中撓度值達(dá)到120 mm，則需要進(jìn)行二次張拉，至柔性鋼絞線達(dá)到伸縮穩(wěn)定狀態(tài)。

3.9 驗(yàn)收

柔性光伏支架施工工藝流程的最后一道工序?yàn)轵?yàn)收，按照主要鋼結(jié)構(gòu)安裝驗(yàn)收規(guī)范執(zhí)行。

4 結(jié)論

本文基于柔性光伏支架的技術(shù)原理，以浙江省開化縣某林光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，總結(jié)了柔性光伏支架的施工方法與施工工藝流程。柔性光伏支架靈活可調(diào)，占地面積小，對場地平整度要求低，可廣泛應(yīng)用于各類地形地貌，例如農(nóng)地、林地、復(fù)雜山地、水池等，應(yīng)用前景廣泛。柔性光伏支架的施工方法在該林光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目的成功應(yīng)用，可為今后同類工程的柔性光伏支架施工提供借鑒。