模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)

喻旭明，張 可，陳睿鋒*

(1.中廣核太陽能(嘉興)有限公司，嘉興 314300；2.浙江中南綠建科技集團(tuán)有限公司，杭州 311400)

0 引言

2022 年6 月1 日《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》正式發(fā)布，中國針對(duì)2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)及2025 年非化石能源消費(fèi)占比20%的任務(wù)要求，提出了“十四五”期間可再生能源的發(fā)展目標(biāo)；針對(duì)可再生能源發(fā)電目標(biāo)，提出了2025 年可再生能源發(fā)電量達(dá)到3.3 萬億kWh 左右、“十四五”期間風(fēng)電和光伏發(fā)電量相較于“十三五”翻倍的要求。光伏發(fā)電作為可再生能源發(fā)電的主力軍，對(duì)實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重大意義。

目前，光伏支撐系統(tǒng)主要分為固定式光伏支撐系統(tǒng)及漂浮式光伏支撐系統(tǒng)。常見的漂浮式光伏支撐系統(tǒng)采用聚乙烯塑料浮筒+錨固系統(tǒng)的形式，因浮筒具有強(qiáng)度低、耐久性差、易破損沉沒等缺點(diǎn)，導(dǎo)致此種光伏支撐系統(tǒng)的應(yīng)用不及固定式光伏支撐系統(tǒng)(即固定式光伏支架)廣泛[1]。固定式光伏支架主要分為剛性光伏支架和柔性光伏支架，剛性光伏支架主要通過斜支撐檁條、前后立柱支撐光伏組件；柔性光伏支架主要通過預(yù)應(yīng)力鋼索承擔(dān)其上部光伏組件的荷載，具體如圖1 所示。

圖1 固定式光伏支架常見類型Fig. 1 Common types of fixed PV bracket

常見的柔性光伏支架的主要缺點(diǎn)包括：1)索結(jié)構(gòu)撓度大，易使其上方光伏組件之間發(fā)生碰撞、擠壓，損壞光伏組件；2)結(jié)構(gòu)整體對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，風(fēng)致振動(dòng)較大，風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)相互耦合，結(jié)構(gòu)受力及變形分析較為困難[2-3]；3)對(duì)于采用打樁方式的光伏支架或單樁費(fèi)用較高的情況，索結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性差，單樁覆蓋面積也較小。

常見的剛性光伏支架也存在單樁覆蓋面積小，經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)。同時(shí)，常見的柔性和剛性光伏支架應(yīng)用于水上場(chǎng)景時(shí)，都存在施工作業(yè)困難的問題。水上大跨度光伏電站采用柔性光伏支架時(shí)，在打樁完成后，需通過樁上連接構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力鋼索進(jìn)行張拉，再在其上方鋪設(shè)光伏組件。此類施工面臨的難點(diǎn)主要有：1)預(yù)應(yīng)力鋼索布置及張拉時(shí)需運(yùn)輸船來回進(jìn)行牽引，往返多趟降低了施工效率；2)樁上連接構(gòu)件的安裝、調(diào)整及預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉均需要現(xiàn)場(chǎng)完成，很難保證施工品質(zhì)；3)鋪設(shè)光伏組件時(shí)，需要由運(yùn)輸船將工人送至不同安裝點(diǎn)后再進(jìn)行鋪設(shè)，施工效率低，特別是跨中位置離兩邊樁基較遠(yuǎn)時(shí)，施工難度大。目前常見的剛性光伏支架很少用于海上，因?yàn)楹Ｉ檄h(huán)境較難進(jìn)行光伏組件與光伏支撐結(jié)構(gòu)的安裝，相較于柔性光伏支架，剛性光伏支架由于所需樁基較多，水上安裝效率更低。

為了解決光伏支架中單樁覆蓋面積小和水上施工困難的問題，本文提出一種模塊化大跨度的水上光伏支撐系統(tǒng)方案。該光伏支撐系統(tǒng)主要針對(duì)的問題為樁身較長(zhǎng)、成本高、施工困等，因此本文以該光伏支撐系統(tǒng)在海上的應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

1 模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)介紹

該光伏支撐系統(tǒng)主要包括3 部分：1)主梁檁條與高度可變化的檁托組合形成傾角可調(diào)的光伏組件支撐結(jié)構(gòu)；2)主梁與樁的斜支撐組成的結(jié)構(gòu)；3)主梁的抗傾覆結(jié)構(gòu)。

第1)部分采用主梁作為連續(xù)受力構(gòu)件，可減少樁的使用數(shù)量，提高支架下部空間布置的靈活性，且對(duì)于打樁及單樁費(fèi)用較高的情況(如大跨度結(jié)構(gòu)海上打樁)，可有效降低費(fèi)用。主梁上通過設(shè)置變高度檁托，用于調(diào)節(jié)光伏組件安裝傾角，使其處于最佳傾角，以提高光伏組件發(fā)電效率，如圖2a 所示。檁條支撐于光伏組件中部，留出一定懸挑，從而使彎矩在單塊光伏組件的分布更為均勻，受力更為合理。

圖2 模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)細(xì)部圖Fig. 2 Details of modular long-span aquatic PV support system

第2)部分采用含有預(yù)埋套箍的預(yù)制樁，便于主梁與樁的斜支撐安裝，如圖2a 所示，從而減小主梁面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度，協(xié)同傳力至下部預(yù)制樁，使主梁設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)。

第3)部分在預(yù)制樁上部焊接板件，在板件上將斜支撐與主梁上翼緣相連，如圖2b 所示，從而抵抗主梁傾覆，提高安全性。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊化施工。

2 模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)算例及費(fèi)用對(duì)比

以浙江省嘉興市海鹽縣某光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目的主要荷載信息為：光伏組件荷載0.15 kN/m2，基本風(fēng)壓0.70 kN/m2，雪荷載0.35 kN/m2。此項(xiàng)目中風(fēng)荷載取值較大是考慮到光伏支撐系統(tǒng)的抗臺(tái)風(fēng)能力，因而將當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.45 kN/m2提至為0.70 kN/m2。光伏組件安裝傾角為10°，參照相關(guān)規(guī)范[4-7]，對(duì)此荷載下的光伏支架分別采用傳統(tǒng)的剛性光伏支架、柔性光伏支架及模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)采用傳統(tǒng)的剛性光伏支架(如圖1a 所示)時(shí)，經(jīng)測(cè)算，上部鋼結(jié)構(gòu)所需單位用鋼量為7.865 kg/m2，單樁覆蓋面積為16.25 m2。因上部鋼材較多采用的是薄壁型鋼，鋼材價(jià)格取8000 元/t；因樁上部荷載和樁徑較小，樁成本取7000 元/根，從而可得光伏支撐結(jié)構(gòu)成本為493.7 元/m2。設(shè)鋪設(shè)的光伏組件的輸出功率為206.5 W/m2時(shí)，則單位發(fā)電成本為2.4 元/W。

當(dāng)采用傳統(tǒng)的柔性光伏支架(如圖1b 所示)時(shí)，經(jīng)測(cè)算，鋼索的單位用鋼量為1.38 kg/m2，單樁覆蓋面積為27.5 m2。當(dāng)鋼索的價(jià)格為17000元/t、樁成本取為8000 元/根(上部荷載較大導(dǎo)致樁徑較大，從而成本較高)時(shí)，可得光伏支撐結(jié)構(gòu)成本為314.4 元/m2。若光伏組件的輸出功率為206.5 W/m2，則單位發(fā)電成本為1.52 元/W。

當(dāng)采用本模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)時(shí)，上部主要鋼構(gòu)件為鋼梁及Z 型鋼檁條，總用鋼量為20 kg/m2，單樁覆蓋面積為100 m2。因主鋼梁加工費(fèi)用較高，鋼材價(jià)格為10000 元/t，上部荷載同樣較大，因而樁成本取8000 元/根，光伏支撐結(jié)構(gòu)成本為280 元/m2。光伏組件輸出功率取206.5 W/m2時(shí)，單位發(fā)電成本為1.36 元/W。

通過對(duì)比費(fèi)用可見，模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)方案最具經(jīng)濟(jì)性，雖然其上部用鋼量較大，但單樁覆蓋面積也大幅增加，從而很大程度降低了樁的費(fèi)用，使總成本下降。

3 模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)施工方案

本模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)的配套施工方案包括3 個(gè)步驟：1)光伏支撐結(jié)構(gòu)與光伏組件的模塊化組裝；2)利用帶有卡槽的構(gòu)件使光伏支架堆疊，然后進(jìn)行連續(xù)吊裝及運(yùn)輸；3)光伏支撐系統(tǒng)的整體安裝。

第1)步：采用本文第1 節(jié)提到的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)將光伏支撐結(jié)構(gòu)分成若干相同模塊(下文簡(jiǎn)稱為“結(jié)構(gòu)模塊”)以實(shí)現(xiàn)模塊化施工。光伏支撐結(jié)構(gòu)與光伏組件在陸地進(jìn)行組裝，免去后期在水上進(jìn)行結(jié)構(gòu)吊裝、安裝的過程，既可以提高施工效率，又能保證施工質(zhì)量及施工安全。

吊裝前鋼梁之間設(shè)置支撐以承受壓力和剪切力，從而保護(hù)檁條及光伏組件。在每榀結(jié)構(gòu)模塊的主梁兩端設(shè)置水平支撐，以承受結(jié)構(gòu)模塊吊裝時(shí)吊繩產(chǎn)生的水平力，從而避免檁條和光伏組件承受此水平力而產(chǎn)生彎曲和被損壞；在每榀結(jié)構(gòu)模塊的主梁之間設(shè)置兩道斜支撐，防止吊裝過程中結(jié)構(gòu)模塊傾斜或吊繩用力不均所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)剪切變形。此兩道斜支撐只考慮拉力而不用考慮壓力。通過吊繩將結(jié)構(gòu)模塊安裝于主梁上，在主梁首末兩端一定位置處設(shè)置吊裝點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)正負(fù)彎矩分布更為均勻，如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模塊的吊裝示意圖Fig. 3 Schematic diagram of hoisting of structure modules

第2)步：使用自主設(shè)計(jì)的帶有卡槽可供結(jié)構(gòu)模塊堆疊的構(gòu)件(兩種構(gòu)件可供選擇，如圖4所示)，將組裝完畢的結(jié)構(gòu)模塊吊裝，堆疊放置在運(yùn)輸船上。構(gòu)件牛腿處設(shè)有卡槽，可確保結(jié)構(gòu)模塊堆疊運(yùn)輸時(shí)的穩(wěn)定性、避免擠壓，多層疊放的方式可提高運(yùn)輸效率。該構(gòu)件方便拆卸，后期每吊裝、安裝完1 榀結(jié)構(gòu)模塊后可隨即取出，方便下一榀結(jié)構(gòu)模塊的吊裝及安裝。

圖4 兩種輔助結(jié)構(gòu)模塊堆疊的構(gòu)件Fig. 4 Two types of components assist in structural module stacking

第3)步：通過水上吊裝船將結(jié)構(gòu)模塊吊裝至指定位置，通過下部定位卡件實(shí)現(xiàn)與樁身的對(duì)接，然后焊接連接部位，如圖5 所示。重復(fù)吊裝及安裝步驟，即可將結(jié)構(gòu)模塊安裝為指定形狀及面積大小的水上光伏支撐系統(tǒng)。本施工方案使光伏支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊化組裝、吊裝、運(yùn)輸及安裝，最終建成滿足設(shè)計(jì)要求的形狀及大小的大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)。

圖5 結(jié)構(gòu)模塊與樁身的對(duì)接及組裝Fig. 5 Connection and assembly of structural module and piles

4 光伏支架鋼結(jié)構(gòu)的防銹、涂裝措施

鋼材的銹蝕是一種電化學(xué)腐蝕。鋼材表面化學(xué)成分的不均勻性使微觀晶體產(chǎn)生電位差，當(dāng)大氣環(huán)境中的水分在鋼材表面形成水膜時(shí)，含有雜質(zhì)的水可作為電解液，與空氣的氧氣共同作用形成眾多微小的原電池，這些電池不斷反應(yīng)生成腐蝕產(chǎn)物，從而逐漸破壞鋼材。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[8-12]，本文提出了鋼結(jié)構(gòu)防腐、涂裝方案，使光伏支架鋼結(jié)構(gòu)在此種環(huán)境下具有抗銹蝕能力，保證原有設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)，具體方案如下：

1) 鋼構(gòu)件所用鋼材表面初始銹蝕等級(jí)不應(yīng)低于B 級(jí)，涂裝要求防腐年限不小于15 年。防腐、防銹所采用的涂料、鋼材表面的除銹等級(jí)及鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕要求應(yīng)符合CECS 343—2013《鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝技術(shù)規(guī)程》和GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評(píng)守 第1 部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級(jí)和處理等級(jí)》的規(guī)定。

2) 構(gòu)件在高強(qiáng)度螺栓連接范圍內(nèi)的接觸表面采用噴砂或拋丸處理，保證摩擦系數(shù)≥0.40。

3) 鋼構(gòu)件在制作完畢后應(yīng)進(jìn)行除銹處理，除銹等級(jí)為Sa2 1/2 級(jí)，防腐做法如表1 所示。

表1 光伏支架的防腐做法Table 1 Anti corrosion method of PV bracket

4) 現(xiàn)場(chǎng)焊接構(gòu)件，并在現(xiàn)場(chǎng)焊接場(chǎng)地范圍內(nèi)進(jìn)行油漆涂刷。

5) 螺栓孔應(yīng)采用鉆成孔，安裝時(shí)螺栓應(yīng)能自由穿入孔內(nèi)，不得強(qiáng)制敲打或氣割成孔。

6) 單個(gè)構(gòu)件制作完畢后，應(yīng)立即編號(hào)并分類放置。

7) 對(duì)構(gòu)件的鉆口等位置進(jìn)行檢查、補(bǔ)漆。

8) 鋼結(jié)構(gòu)安裝合格后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接的焊縫及周圍位置采用手工除銹處理，補(bǔ)刷底漆和中間漆，同時(shí)對(duì)在運(yùn)輸或安裝過程中油漆損壞部位進(jìn)行修補(bǔ)。中間漆修補(bǔ)完成并驗(yàn)收合格后，方能涂裝防火涂料或面漆。

9) 在使用過程中應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝進(jìn)行全壽命周期內(nèi)的定期檢查和維修，并由項(xiàng)目業(yè)主和防腐施工單位、防腐材料供應(yīng)商在工程建造時(shí)制定維護(hù)計(jì)劃。光伏支架投入使用后按照該維護(hù)計(jì)劃進(jìn)行定期檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行維護(hù)，必要時(shí)進(jìn)行大修。

5 結(jié)論

本文提出了一種模塊化大跨度水上光伏支撐系統(tǒng)，對(duì)該光伏支撐系統(tǒng)的配套構(gòu)件及系統(tǒng)的施工方案進(jìn)行了介紹。并以某光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，對(duì)比得出模塊化水上光伏支撐系統(tǒng)可節(jié)約成本、提高施工效率。該光伏支撐系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 單樁覆蓋面積大幅增加，從而降低單位面積樁身費(fèi)用及打樁成本，對(duì)于此部分費(fèi)用較大的情況(如水上大跨度結(jié)構(gòu)打樁)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2) 主梁上的檁條與高度可變的檁托組成的可調(diào)節(jié)傾角的光伏組件支撐構(gòu)造，使光伏組件可調(diào)整到最佳安裝傾角，提高光伏組件發(fā)電效率。

3) 自主設(shè)計(jì)的帶有卡槽的構(gòu)件可供結(jié)構(gòu)模塊堆疊，可避免堆疊放置的光伏結(jié)構(gòu)相互擠壓，多層疊放的方式可提高運(yùn)輸效率。此構(gòu)件方便拆卸，后期每吊裝、安裝完1 榀結(jié)構(gòu)模塊后可隨即取出，方便下榀結(jié)構(gòu)模塊的吊裝及安裝。

4) 整個(gè)光伏支撐系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，模塊化施工，從而降低海上作業(yè)難度，大幅提高施工效率。