山地光伏支架結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：針對山地光伏復(fù)雜地形和地質(zhì)條件下光伏支架基礎(chǔ)工程量大、支架調(diào)平難度大、檁條預(yù)打孔誤差大、安裝效率低和施工難度大等問題，本研究對山地光伏支架結(jié)構(gòu)部分關(guān)鍵問題進(jìn)行剖析，提出了山地光伏支架基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新優(yōu)化方案，該方案在山地光伏中能夠有效適應(yīng)山地復(fù)雜地形和提高施工效率，降低施工成本和縮短施工周期。同時(shí)可為后續(xù)山地光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：山地光伏；光伏支架；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TK 51" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，隨著中國光伏電站的大規(guī)模和集中化建設(shè)，具有良好開發(fā)潛力的平坦地區(qū)資源逐漸減少。因此，具有較高太陽輻射度的復(fù)雜山地地區(qū)逐漸成為光伏電站開發(fā)的選擇[1]。在云貴川渝等西南地區(qū)，光伏的主要擬建場址為山地，山地呈現(xiàn)的主要特點(diǎn)為地表起伏不平、微地形條件復(fù)雜、可用于陣列布置的場地分布不規(guī)則且比較分散、地表土地利用率不高、坡度變化不規(guī)則、坡向各異、局部有沖溝、地質(zhì)條件復(fù)雜多變等[2-3]，上述特點(diǎn)是導(dǎo)致山地光伏建設(shè)難度大的直接原因。在市場競爭處于白熱化的環(huán)境下，山地光伏的質(zhì)量及成本控制已成為重要關(guān)注點(diǎn)。同時(shí)，光伏電站的建設(shè)也需要考慮環(huán)境和生態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 山地光伏支架結(jié)構(gòu)部分關(guān)鍵問題剖析

對山地光伏支架的結(jié)構(gòu)來說，從支架基礎(chǔ)到上部支架支撐系統(tǒng)，在現(xiàn)場施工階段都存在較多現(xiàn)實(shí)問題。主要有以下3個(gè)方面。1）由于山地地形和地質(zhì)條件較為復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)往往采用包絡(luò)形式，因此在保障結(jié)構(gòu)安全的情況下，要考慮現(xiàn)場施工的可操作性，基礎(chǔ)優(yōu)化和創(chuàng)新非常重要。2）由于山地局部微地形具有復(fù)雜性，很難使同一組串柱頂在同一斜面上，而立柱是在工廠批量生產(chǎn)的，因此當(dāng)支架現(xiàn)場實(shí)際安裝時(shí)需要進(jìn)行人為調(diào)平，調(diào)平方式主要是以基礎(chǔ)頂進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)置立柱調(diào)節(jié)機(jī)制。3）現(xiàn)場光伏支架的檁條與斜梁之間的連接形式通常是采用螺栓連接，目前，組件與檁條之間有螺栓連接及壓塊連接兩種形式，但不論哪種形式，都需要在檁條上預(yù)先開孔，由于下料及現(xiàn)場安裝誤差，因此當(dāng)支架安裝時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)對孔情況，一定程度上增加了二次加工工作量，影響了安裝效率。另外單立柱支架檁條及支撐體系用鋼量占比在65%左右，占比較大，因此在檁條和支撐體系上進(jìn)行方案優(yōu)化，能夠有效減少支架安裝二次加工量，提高安裝效率，同時(shí)可一定程度減少用鋼量，節(jié)約項(xiàng)目投資成本。

2 支架基礎(chǔ)優(yōu)化方案探索

針對光伏支架基礎(chǔ)方案優(yōu)化方案，經(jīng)深入研究，在巖質(zhì)條件較好的點(diǎn)位，可以采用一種新型的杯口基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在巖質(zhì)條件好的地方，與灌注樁相比，該新型基礎(chǔ)形式可以減少基巖開挖量，有效提高柱底抗拔抗剪承載力，從而節(jié)約綜合造價(jià)。

針對地表覆土厚度比較大，土質(zhì)條件欠佳，預(yù)制樁承載力不足的情況，本研究提出一種提高樁基水平承載力的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖3、圖4是一種提高樁基豎向承載力（抗拔、抗壓）的結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用該結(jié)構(gòu)時(shí)，將樁體打入地面，栓釘通過限角度銷栓轉(zhuǎn)動(dòng)與樁體下面的側(cè)表面連接，且限角度銷栓將上栓釘?shù)幕顒?dòng)角度θ限制在0°～90°，使樁體打入地面時(shí)，栓釘與樁體角度變小，且栓釘指向與樁體運(yùn)動(dòng)速度相反，將樁體打入地面時(shí)，地面對樁體的阻力較小，而從地面往外拔樁體時(shí)，上栓釘?shù)幕顒?dòng)角度θ＞0°，因此上栓釘能夠突出樁體側(cè)表面，而插入泥土中，當(dāng)樁體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，上栓釘與泥土間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，泥土的阻力使栓釘繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)與栓釘轉(zhuǎn)軸上部的樁體中心軸線的夾角變大，使栓釘朝樁體運(yùn)動(dòng)方向的投影面積變大。泥土對樁基的阻力增加，可以起到抗拔作用，該結(jié)構(gòu)在不增加樁長或樁徑的情況下，提高了樁體抗拔能力，使樁體運(yùn)輸更方便，耗材更少和制造難度更低，降低了制造成本。實(shí)施簡單，承載力提升幅度較大，在一定程度上可節(jié)約綜合成本?？箟簶端ㄡ斉c抗拔樁栓釘方向相反，提高抗壓承載能力原理與抗拔樁相同。

3 支架上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案探索

3.1 立柱高度調(diào)節(jié)

在山地光伏支架施工中，固定支架中的同一組串單元、支架高度的同平面調(diào)平操作過程非常困難，也是山地光伏施工現(xiàn)場中問題比較大的一個(gè)環(huán)節(jié)。使組件與檁條之間的螺栓孔精準(zhǔn)對接對成本優(yōu)化也有很大影響。

針對支架立柱高度調(diào)平問題，在預(yù)制樁的應(yīng)用場景，課題小組提出一種支架立柱可調(diào)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。圖5主要描述了一種山地光伏管樁與立柱連接調(diào)節(jié)方案，原理是將鋼管放置在堵頭上，然后將鋼管固定連接在預(yù)制管樁上，根據(jù)需求現(xiàn)場確定鋼管長度，用不同的鋼管長度來彌補(bǔ)地形起伏造成的基礎(chǔ)標(biāo)高不一的情況，達(dá)到樁基頂標(biāo)高低成本、靈活和輕松調(diào)節(jié)的目的。

此外，課題小組針對支架柱底可調(diào)的問題進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，提出另一種支架立柱可調(diào)結(jié)構(gòu)形式，具體如圖6所示。圖6的立柱可調(diào)方案描述了通過支架在基礎(chǔ)混凝土中預(yù)埋方鋼管、“C”形鋼或者圓鋼管等其他截面埋件，采用“大小套”的方式拼接支架立柱與預(yù)埋件，并通過預(yù)設(shè)的螺栓孔位上下調(diào)節(jié)，達(dá)到支架立柱在一定高度內(nèi)調(diào)平的目的。在光伏電站的建設(shè)中，該方案可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，降低調(diào)節(jié)成本，減少時(shí)間，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有效減少了山地光伏施工因地勢不平整帶來的問題。這種連接方式無須焊接，因此在施工過程中不會(huì)受到地形、氣候、溫度或天氣變化等不利因素的影響，最大程度提高了施工效率。此外，這種連接方式還降低了傳統(tǒng)支架安裝過程中的復(fù)雜性、減少了潛在的錯(cuò)誤，同時(shí)，模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使施工過程更加規(guī)范化，從而保證整個(gè)光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 檁條與斜梁之間的可調(diào)連接

針對支架檁條與斜梁之間的可調(diào)連接，課題小組深入研究提出3種新型連接形式，具體如圖7所示。

圖7方案是通過外加連接件連接斜梁與檁條，達(dá)到不受常規(guī)對準(zhǔn)預(yù)留螺栓孔的連接方式限制的目的，從而避免螺栓孔無法精準(zhǔn)對位而需要現(xiàn)場開孔的情況。這個(gè)方案安裝簡便，不僅可以提高檁條與斜梁安裝安裝效率，還可以達(dá)到檁條在斜梁上一定范圍內(nèi)可調(diào)整連接位置的目的，大大提高了現(xiàn)場安裝的靈活性。

3.3 檁條與組件之間的可調(diào)連接

針對支架檁條與組件之間的可調(diào)連接，課題小組深入研究提出一種新型連接形式，如圖8所示。

圖8的思路及原理與圖7相似，采用外加扣件等連接件，將組件扣緊抱牢在檁條上，避免現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)的檁條與組件螺栓孔位無法精準(zhǔn)對接，而需要現(xiàn)場對檁條進(jìn)行精確開孔的情況，這種連接方式現(xiàn)場靈活性和可靠性高，可以大大降低檁條的加工難度及現(xiàn)場的安裝難度。

3.4 檁條檁間支撐體系

圖9是一種優(yōu)化后的檁條支撐體系，在常規(guī)的拉條加撐桿的支撐形式下，直接優(yōu)化為單一的薄壁鋼管，在上述單立柱及雙立柱有限元結(jié)構(gòu)分析的相同輸入條件下，在檁間支撐方面，單兆瓦可以減少用鋼量0.832t。在保障結(jié)構(gòu)安全和滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，該支撐體系不僅可以簡化檁條支撐體系安裝的步驟，還可以減少工程的用鋼量，從而降低工程建設(shè)成本。

3.5 檁條下翼緣隅撐約束結(jié)構(gòu)

檁條下翼緣隅撐約束結(jié)構(gòu)如圖10所示。

由圖10可知，利用組件邊框與檁條下翼緣進(jìn)行間接約束，該約束結(jié)構(gòu)能夠有效防止檁條下翼緣受力較大時(shí)發(fā)生失穩(wěn)而影響整個(gè)光伏支架的結(jié)構(gòu)安全性，在單立柱和雙立柱有限元結(jié)構(gòu)分析的相同輸入條件下，在檁間支撐方面，與常規(guī)做法相比，單兆瓦可以減少用鋼量1.202t。

4 結(jié)語

聯(lián)合應(yīng)用固定支架基礎(chǔ)、支架立柱豎向可調(diào)創(chuàng)新方案、支架檁條與斜梁連接位置斜向可調(diào)、組件與檁條連接位置斜向可調(diào)創(chuàng)新方案及檁間支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新做法等，不僅可以有效降低山地光伏支架基礎(chǔ)的成本，還可以提高組件安裝效率，降低檁條現(xiàn)場開孔返工率，并減少整體用鋼量，對節(jié)約成本、縮短工期具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

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