水面光伏超大跨支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)應(yīng)用分析

摘" 要：近年來(lái)，隨著全球能源短缺和環(huán)境惡化加劇，發(fā)展新能源成為國(guó)家能源結(jié)構(gòu)改革重要內(nèi)容。作為一種清潔可靠的新能源，太陽(yáng)能電站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)備受關(guān)注。該文以國(guó)內(nèi)某坑塘水面光伏電站為背景，重點(diǎn)分析一種光伏電站柔性支架的結(jié)構(gòu)方案、建模設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型及成本組成等內(nèi)容，結(jié)果顯示該種柔性支架結(jié)構(gòu)方案可以實(shí)現(xiàn)東西方向和南北方向大跨距要求，尤其是東西方向跨距超過(guò)40 m；支架結(jié)構(gòu)主要包括承重鋼索結(jié)構(gòu)、中梁結(jié)構(gòu)、邊梁結(jié)構(gòu)、斜拉錨桿結(jié)構(gòu)、三角撐桿和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等；結(jié)構(gòu)截面選型能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求；而且，對(duì)于平坦地貌大連片應(yīng)用場(chǎng)景，綜合考慮所有土建成本，柔性支架光伏電站經(jīng)濟(jì)性略高于固定支架；進(jìn)一步考慮柔性支架土地利用效率和土地復(fù)合利用價(jià)值等附加價(jià)值，柔性支架光伏電站經(jīng)濟(jì)性將顯著高于固定支架。

關(guān)鍵詞：光伏電站；光伏支架；大跨度；柔性結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：TM615" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0121-04

Abstract： In recent years， with the global energy shortage and environmental deterioration， the development of new energy has become an important part of the national energy structure reform. As a clean and reliable new energy， the construction and operation of solar power stations have attracted much attention. Based on the background of a domestic Kengtang surface photovoltaic power station， this paper focuses on the structural scheme， modeling and design method， structural component selection and cost composition of a flexible support for photovoltaic power station. The results show that the flexible support structure scheme can meet the requirements of long span in east-west direction and north-south direction， especially the span in east-west direction is more than 40 m. The support structure mainly includes load-bearing cable structure， middle beam structure， side beam structure， cable-stayed anchorage structure， triangular brace， foundation structure， etc; the selection of structural section can meet the requirements of structural strength， stiffness and stability; moreover， for large-scale application scenarios with flat landform， considering all the civil construction costs， the economy of flexible support photovoltaic power station is slightly higher than that of fixed support. This paper will further consider the additional values such as land use efficiency and land compound use value of flexible support， the economy of flexible support photovoltaic power station will be significantly higher than that of fixed support.

Keywords： photovoltaic power station; photovoltaic bracket; long span; flexible structure; design method

隨著世界各國(guó)對(duì)新能源需求的不斷增長(zhǎng)，光伏電站的建設(shè)規(guī)模和效益也不斷提高。然而，隨著大量大型光伏電站的不斷建設(shè)，傳統(tǒng)光伏支架的劣勢(shì)也日益凸顯，包括對(duì)環(huán)境干擾大、土地復(fù)合利用的價(jià)值不高等等。近期出現(xiàn)一種大跨度的柔性光伏支架，由于具備跨度大、基礎(chǔ)少等顯著優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到業(yè)主方的青睞。也有工程師和學(xué)者逐漸關(guān)注柔性支架結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。例如，李立等[1]針對(duì)坡度較大的上坡地塊，探討了柔性光伏支架的可行性和經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)柔性支架結(jié)構(gòu)具有最好的經(jīng)濟(jì)性，適合較大斜坡光伏電站，為類似場(chǎng)景的光伏電站項(xiàng)目提供了參考。寧勇平等[2]以某個(gè)污水處理廠光伏電站為研究背景，重點(diǎn)介紹了一種柔性支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法，詳細(xì)闡述了污水處理廠光伏電站總體方案設(shè)計(jì)、電氣接入、發(fā)電量預(yù)測(cè)等方面的內(nèi)容。王雨[3]針對(duì)地形條件較差地區(qū)，對(duì)光伏柔性支架技術(shù)方案進(jìn)行了探討，并提出了設(shè)計(jì)建議。王澤國(guó)等[4]采用有限元軟件，對(duì)大跨度柔性光伏支架進(jìn)行建模，重點(diǎn)分析了脈動(dòng)風(fēng)作用下柔性支架的動(dòng)力響應(yīng)。牛斌[5]分析了柔性支架在光伏發(fā)電工程中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景，指出對(duì)應(yīng)的條件限制和不足之處。馬文勇等[6]通過(guò)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了光伏電站關(guān)鍵參數(shù)，包括傾角、間距比、安裝位置等，對(duì)光伏組件風(fēng)荷載的影響規(guī)律，為柔性支架結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。尚仁杰等[7]分析了柔性支架結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，推導(dǎo)了平衡狀態(tài)時(shí)柔性支架結(jié)構(gòu)切線剛度等計(jì)算方法，研究成果對(duì)于柔性支架受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。周潤(rùn)[8]以某具體工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，探討了柔性支架的適用性。

本文以我國(guó)中部地區(qū)某坑塘水面光伏電站為背景，詳細(xì)介紹了一種光伏電站超大跨度柔性支架的結(jié)構(gòu)方案、建模設(shè)計(jì)方法、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料選型及成本對(duì)比分析等內(nèi)容。

1" 項(xiàng)目背景情況

本次研究以湖北某100 MW光儲(chǔ)漁業(yè)一體化電站項(xiàng)目為對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用分析，項(xiàng)目紅線如圖1所示。該項(xiàng)目位于湖北省荊州市監(jiān)利市，利用漁場(chǎng)坑塘水面，發(fā)展特種漁業(yè)養(yǎng)殖，同時(shí)合理利用魚(yú)塘水面上方空間鋪設(shè)光伏組件建設(shè)光伏電站。場(chǎng)址土地性質(zhì)為坑塘水面，主要為平坦地貌，海拔高度約為23.5～30.5 m，局部為田間沖溝、凹地，地形起伏不大，整體平緩。項(xiàng)目擬采用漁光互補(bǔ)形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)。電站項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模100 MW，一次性建成，土建方面計(jì)劃采用柔性支架為主進(jìn)行建設(shè)，配套新建110 kV升壓站1座。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，該地區(qū)25年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓荷載為0.31 kN/m2、雪荷載為0.33 kN/m2， 50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓荷載為0.35 kN/m2、雪荷載為0.40 kN/m2。

2" 技術(shù)方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用深圳市安泰科清潔能源股份有限公司的柔性支架，方案如圖2所示。支架方案東西方向跨度為41 m，每一跨包含32塊光伏組件，南北方向跨度為10 m。柔性支架結(jié)構(gòu)主要包括索結(jié)構(gòu)、中梁結(jié)構(gòu)、邊梁結(jié)構(gòu)、斜拉錨固結(jié)構(gòu)、三角撐桿結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等。其中，3根東西走向的鋼索結(jié)構(gòu)為光伏組件主要承重結(jié)構(gòu)，上層2根鋼索通過(guò)扣件與光伏組件相連，直接支撐光伏組件，下層鋼索沿東西方向呈魚(yú)腹式空間走向，通過(guò)間歇布置的三角撐桿結(jié)構(gòu)為上層鋼索提供部分豎向支撐。鋼索在最東和最西邊通過(guò)鋼絞線錨具錨固于邊梁之上，中間區(qū)域由中梁支撐。邊梁采用斷開(kāi)梁如圖2（b）所示，邊梁東西兩側(cè)由2根斜拉錨桿斜向錨固于邊錨基礎(chǔ)之上。每一排光伏組件的邊梁由2根樁基礎(chǔ)支撐，對(duì)應(yīng)2個(gè)邊拉錨桿和邊錨基礎(chǔ)，如圖2（a）所示。中梁沿南北走向，由H型鋼制作而成。中梁由中樁基礎(chǔ)和斜撐結(jié)構(gòu)支撐，如圖2（c）所示，每2排光伏組件布置一根中樁，因此中樁跨距為10 m。中梁上方布置與東西走向鋼索的連接節(jié)點(diǎn)。為了滿足最佳傾角的要求，北側(cè)連接節(jié)點(diǎn)需設(shè)置抬高件。由于柔性支架跨度大、結(jié)構(gòu)柔，對(duì)風(fēng)荷載作用十分敏感，為了抑制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題，在三角撐桿結(jié)構(gòu)所在截面位置，沿南北方向布置抗風(fēng)穩(wěn)定系統(tǒng)?？癸L(fēng)穩(wěn)定系統(tǒng)主要由上下2根穩(wěn)定鋼索結(jié)構(gòu)組成，鋼索結(jié)構(gòu)貫穿南北，并錨固于最南和最北端部的穩(wěn)定樁和穩(wěn)定錨樁基礎(chǔ)之上，確保具備充足的抗水平承載能力。

為了確保結(jié)構(gòu)具有足夠的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，采用有限元軟件，建立了如圖3所示的3跨11排分析模型。鍍鋅鋼絞線采用索單元模擬，光伏組件采用實(shí)體單元模擬，鋼橫梁結(jié)構(gòu)用實(shí)體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M，邊錨結(jié)構(gòu)采用索單元模擬，樁底邊界條件設(shè)置為固結(jié)，邊錨結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定索兩端邊界條件也設(shè)置為固結(jié)。將結(jié)構(gòu)恒載、風(fēng)荷載、雪荷載按照規(guī)范要求的形式進(jìn)行組合并施加于模型之上，計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、變形等結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以此檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。

2.1" 鋼索結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目承重鋼索結(jié)構(gòu)采用7股外徑為17.8 mm極限強(qiáng)度1 860 MPa的鍍鋅鋼絞線，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，在承載能力極限狀態(tài)下，鋼絞線內(nèi)力為20.5 t，小于0.6倍最小破斷力21.2 t，達(dá)到鋼索結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。鋼索結(jié)構(gòu)是柔性支架結(jié)構(gòu)的核心受力構(gòu)件，為了進(jìn)一步保障鋼索結(jié)構(gòu)的耐久性，還對(duì)鋼索結(jié)構(gòu)進(jìn)行了防腐處理。目前鋼絞線結(jié)構(gòu)的防腐處理方式主要包括熱浸鍍鋅防腐、油漆防腐、電弧噴涂防腐等。其中，熱浸鍍鋅防腐主要適用于戶外潮濕程度較高的環(huán)境，過(guò)程中生產(chǎn)完成的鋼絞線浸入融金屬槽中，對(duì)其鍍覆，讓鋼絞線的表面形成鋅材料保護(hù)層，起到防腐蝕的效果。油漆防腐工藝在室內(nèi)環(huán)境使用較多，處理工程中需要先將含有純鋅溶劑、改性劑等成分的底漆涂刷于鋼絞線的表面，并讓其充分干固，達(dá)到避免腐蝕性介質(zhì)浸入鋼絞線表面的目的。電弧噴涂防腐法主要用于水中和地底下的構(gòu)造件，需要先將構(gòu)件拋光除銹再充分打毛，接著將電孤熔融金屬材料加熱噴涂在事先拋光的構(gòu)件上，達(dá)到抗腐蝕耐磨損的效果。綜合考慮各種防腐措施的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，本項(xiàng)目采用熱浸鍍鋅的防腐工藝對(duì)鋼索結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理。

2.2" 橫梁結(jié)構(gòu)

中橫梁結(jié)構(gòu)焊接于樁頂之上，并增加2根斜撐輔助支撐，如圖2（c）所示。中橫梁采用H型鋼結(jié)構(gòu)，鋼材強(qiáng)度為Q355。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下，中梁截面最大應(yīng)力為235 MPa，低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度305 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。邊梁焊接于2根PHC管樁頂面，鋼材強(qiáng)度為Q355。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下，中梁截面最大應(yīng)力為239 MPa，低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度305 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，為了保障結(jié)構(gòu)的耐久性，采用熱浸鍍鋅的防腐工藝對(duì)鋼橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理。

2.3" 三角撐桿

三角撐桿連接柔性支架3根承重鋼索，將3根鋼索結(jié)構(gòu)串聯(lián)成一個(gè)整體進(jìn)行受力。本設(shè)計(jì)方案三角撐桿采用C型鋼作為支撐結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下，三角撐桿最大應(yīng)力為105 MPa，低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度305 MPa。三角撐桿一根受拉2根受壓，需進(jìn)行抗壓穩(wěn)定性分析。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，三角撐桿穩(wěn)定性滿足要求。

2.4" 抗風(fēng)穩(wěn)定系統(tǒng)

由于柔性支架跨度大、結(jié)構(gòu)柔，在風(fēng)荷載作用下容易發(fā)生大幅振動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)安全。為了避免風(fēng)致振動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全和組件安全性問(wèn)題，本設(shè)計(jì)方案增設(shè)了南北方向抗風(fēng)穩(wěn)定系統(tǒng)，由上下2根穩(wěn)定鋼索和V形撐桿結(jié)構(gòu)組成。通過(guò)分析計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下，上下穩(wěn)定鋼索鋼絞線內(nèi)力為5.5 t，達(dá)到鋼索結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

2.5" 斜拉錨桿

斜拉錨桿采用精軋螺紋鋼筋或普通鋼筋。由于精軋螺紋鋼的強(qiáng)度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的螺紋鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，因此相同的材料用量情況下，精軋螺紋鋼可承受更大的荷載；同時(shí)，精軋螺紋鋼也具有較好的韌性，即使在較大拉伸荷載作用下仍然能夠保持一定的延性特征；精軋螺紋鋼的疲勞性能也較好，在頻繁承受動(dòng)力荷載作用的情況下，仍然能夠保持結(jié)構(gòu)完整性，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞；加工性能也好，通過(guò)特制螺紋套筒，能夠方便地實(shí)現(xiàn)連接和張緊。因此，本項(xiàng)目方案選擇psb930精軋螺紋鋼筋。通過(guò)分析計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)下，精軋螺紋鋼筋應(yīng)力為304 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)，因此滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

2.6" 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

本方案為了提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工效率，保障基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，采用PHC預(yù)制管樁作為主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其中，中梁和邊梁結(jié)構(gòu)均采用外徑為400 mm的AB型預(yù)制管樁，斜拉錨固樁采用2根外徑為500 mm的AB型預(yù)制管樁，根據(jù)地勘資料和上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載要求，單根管樁平均長(zhǎng)度為14 m。

3" 成本分析與對(duì)比

為了討論柔性支架設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性，本文項(xiàng)目柔性支架光伏電站土建基本費(fèi)用與同等條件下的固定支架土建基本費(fèi)用進(jìn)行了對(duì)比分析，分析內(nèi)容包括樁基礎(chǔ)材料和施工費(fèi)、柔性支架材料費(fèi)和安裝費(fèi)，以及柔性支架組件安裝費(fèi)。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。相同條件下，柔性支架樁基礎(chǔ)材料和施工的總費(fèi)用約占固定支架樁基礎(chǔ)材料和施工總費(fèi)用的48.6%，成本降低比例為51.4%；柔性支架的材料費(fèi)與固定支架材料費(fèi)相比，增加了40.6%；柔性支架安裝費(fèi)與固定支架安裝費(fèi)相比增加了27.3%；組件安裝費(fèi)與固定支架一致；柔性支架綜合總價(jià)比固定支架降低了3.2%。由此可見(jiàn)，在平坦地貌大連片的柔性支架土建綜合建造成本略低于固定支架，如果進(jìn)一步考慮土地利用效率和土地復(fù)合利用價(jià)值，柔性支架光伏電站經(jīng)濟(jì)性高于固定支架。

4" 結(jié)論

本文以國(guó)內(nèi)某坑塘水面光伏電站為背景，詳細(xì)介紹了一種光伏電站柔性支架的結(jié)構(gòu)方案、建模設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型及成本組成等內(nèi)容，主要結(jié)論如下：

1）該種柔性支架結(jié)構(gòu)方案可以實(shí)現(xiàn)東西方向和南北方向大跨距要求，尤其是東西方向跨距超過(guò)40 m。

2）該種柔性支架主要結(jié)構(gòu)包括承重鋼索結(jié)構(gòu)、中梁結(jié)構(gòu)、邊梁結(jié)構(gòu)、斜拉錨桿結(jié)構(gòu)、三角撐桿和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等。

3）通過(guò)有限元分析，柔性支架主體結(jié)構(gòu)截面選型滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求。

4）柔性支架材料及安裝費(fèi)用均高于同等條件下固定支架材料及安裝費(fèi)用，但是柔性支架基礎(chǔ)材料及其施工費(fèi)用顯著低于同等條件下的固定支架基礎(chǔ)材料及其施工費(fèi)用；對(duì)于平坦地貌大連片應(yīng)用場(chǎng)景，綜合考慮所有土建成本，柔性支架光伏電站經(jīng)濟(jì)性略高于固定支架；進(jìn)一步考慮柔性支架土地利用效率和土地復(fù)合利用價(jià)值等附加價(jià)值，柔性支架光伏電站經(jīng)濟(jì)性將顯著高于固定支架。

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