山地光伏支架結構方案優(yōu)化設計

摘 要：針對山地光伏復雜地形和地質條件下光伏支架基礎工程量大、支架調平難度大、檁條預打孔誤差大、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構部分關鍵問題進行剖析，提出了山地光伏支架基礎和上部結構的創(chuàng)新優(yōu)化方案，該方案在山地光伏中能夠有效適應山地復雜地形和提高施工效率，降低施工成本和縮短施工周期。同時可為后續(xù)山地光伏發(fā)電項目建設提供一定的參考。

關鍵詞：山地光伏；光伏支架；結構優(yōu)化

中圖分類號：TK 51" " 文獻標志碼：A

目前，隨著中國光伏電站的大規(guī)模和集中化建設，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)的主要特點為地表起伏不平、微地形條件復雜、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、地質條件復雜多變等[2-3]，上述特點是導致山地光伏建設難度大的直接原因。在市場競爭處于白熱化的環(huán)境下，山地光伏的質量及成本控制已成為重要關注點。同時，光伏電站的建設也需要考慮環(huán)境和生態(tài)的影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 山地光伏支架結構部分關鍵問題剖析

對山地光伏支架的結構來說，從支架基礎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)實問題。主要有以下3個方面。1）由于山地地形和地質條件較為復雜，基礎設計往往采用包絡形式，因此在保障結構安全的情況下，要考慮現(xiàn)場施工的可操作性，基礎優(yōu)化和創(chuàng)新非常重要。2）由于山地局部微地形具有復雜性，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，因此當支架現(xiàn)場實際安裝時需要進行人為調平，調平方式主要是以基礎頂進行調節(jié)和設置立柱調節(jié)機制。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，都需要在檁條上預先開孔，由于下料及現(xiàn)場安裝誤差，因此當支架安裝時，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，同時可一定程度減少用鋼量，節(jié)約項目投資成本。

2 支架基礎優(yōu)化方案探索

針對光伏支架基礎方案優(yōu)化方案，經(jīng)深入研究，在巖質條件較好的點位，可以采用一種新型的杯口基礎結構，如圖1所示。在巖質條件好的地方，與灌注樁相比，該新型基礎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。

針對地表覆土厚度比較大，土質條件欠佳，預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構，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）的結構。當使用該結構時，將樁體打入地面，栓釘通過限角度銷栓轉動與樁體下面的側表面連接，且限角度銷栓將上栓釘?shù)幕顒咏嵌圈认拗圃?°～90°，使樁體打入地面時，栓釘與樁體角度變小，且栓釘指向與樁體運動速度相反，將樁體打入地面時，地面對樁體的阻力較小，而從地面往外拔樁體時，上栓釘?shù)幕顒咏嵌圈龋?°，因此上栓釘能夠突出樁體側表面，而插入泥土中，當樁體向上運動時，上栓釘與泥土間產(chǎn)生相對運動，泥土的阻力使栓釘繞轉軸轉動與栓釘轉軸上部的樁體中心軸線的夾角變大，使栓釘朝樁體運動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，該結構在不增加樁長或樁徑的情況下，提高了樁體抗拔能力，使樁體運輸更方便，耗材更少和制造難度更低，降低了制造成本。實施簡單，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 支架上部結構優(yōu)化方案探索

3.1 立柱高度調節(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環(huán)節(jié)。使組件與檁條之間的螺栓孔精準對接對成本優(yōu)化也有很大影響。

針對支架立柱高度調平問題，在預制樁的應用場景，課題小組提出一種支架立柱可調結構，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地形起伏造成的基礎標高不一的情況，達到樁基頂標高低成本、靈活和輕松調節(jié)的目的。

此外，課題小組針對支架柱底可調的問題進行角度轉換，提出另一種支架立柱可調結構形式，具體如圖6所示。圖6的立柱可調方案描述了通過支架在基礎混凝土中預埋方鋼管、“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埋件，并通過預設的螺栓孔位上下調節(jié)，達到支架立柱在一定高度內(nèi)調平的目的。在光伏電站的建設中，該方案可以實現(xiàn)快速調節(jié)，降低調節(jié)成本，減少時間，同時提高結構的穩(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雜性、減少了潛在的錯誤，同時，模塊化和標準化設計使施工過程更加規(guī)范化，從而保證整個光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 檁條與斜梁之間的可調連接

針對支架檁條與斜梁之間的可調連接，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，達到不受常規(guī)對準預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對位而需要現(xiàn)場開孔的情況。這個方案安裝簡便，不僅可以提高檁條與斜梁安裝安裝效率，還可以達到檁條在斜梁上一定范圍內(nèi)可調整連接位置的目的，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連接

針對支架檁條與組件之間的可調連接，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對接，而需要現(xiàn)場對檁條進行精確開孔的情況，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構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。在保障結構安全和滿足設計要求的情況下，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，從而降低工程建設成本。

3.5 檁條下翼緣隅撐約束結構

檁條下翼緣隅撐約束結構如圖10所示。

由圖10可知，利用組件邊框與檁條下翼緣進行間接約束，該約束結構能夠有效防止檁條下翼緣受力較大時發(fā)生失穩(wěn)而影響整個光伏支架的結構安全性，在單立柱和雙立柱有限元結構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 結語

聯(lián)合應用固定支架基礎、支架立柱豎向可調創(chuàng)新方案、支架檁條與斜梁連接位置斜向可調、組件與檁條連接位置斜向可調創(chuàng)新方案及檁間支撐結構創(chuàng)新做法等，不僅可以有效降低山地光伏支架基礎的成本，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

[1]肖運啟，張美玲，郭治昌，等.山地光伏電站固定式組件安裝角度優(yōu)化方法[J].太陽能學報，2020，41（5）：329-335.

[2]于銀花.植筋錨桿基礎在山地光伏電站中的應用[J].低碳世界，2024，14（1）：46-48.

[3]王斯偉，丁大奇，張偉，等.腹板預開孔可調節(jié)山地光伏支架系統(tǒng)[J].武漢大學學報（工學版），2017，50（增刊1）：352-355.