柔性支架在沙漠地區(qū)應(yīng)用示范與前景分析

中圖分類號：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0007-06

Abstract：Through theintroductionandanalysisof specificapplicationscenariosandcases ofaphotovoltaicpower generationprojectindesetareas，thereasonswhyflexiblebracketsarechosenindesertareasareelaboratedon.Thepractical applicationofflexiblebracketsreflectstheadvantagesofconvenientinstalationofbracketstructures，promotionofeological agricultureandanimalhusbandry.Intermsofdevelopmentandpromotionofdesertmanagementandecologicalrestoration，the characteristicsinactualoperationincludehighwindresistanceandhighstabilityafterbeingdemonstratedinwindtuneltests， Theinverterdatacorrspondingtotheflexiblebracketassemblycollectedduringtheoperationofthepowerstationisanalyzed comparedwiththeinverterdatacorrespondingtothefixedbracketassemblytoobtainhigherpowergeneration.Combinedwith theflexiblebrackettechnologyinovationanddevelopmenttrend，policysupportandrawmaterialcostreduction，theanalysis puts forward the future prospects for large-scale application of flexible brackets in desert areas.

Keywords：flexiblesupport;photovoltaicpower station；aplicationand prospect；windtunneltest；desert management;solar energy

1柔性支架在沙漠地區(qū)的應(yīng)用示范

在全球能源枯竭問題越來越嚴(yán)重的情況下，太陽能作為一種可再生的綠色清潔能源，越來越矚目，太陽能能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的占比逐年增加。

目前，光伏支撐系統(tǒng)主要有3種類型：固定式、柔性和漂浮式光伏系統(tǒng)[2]。由于傳統(tǒng)的地面剛性光伏支架具有一定的場地限制性，近年來一種由預(yù)應(yīng)力拉索體系所組成的大跨度柔性光伏支架結(jié)構(gòu)正得到越來越多的應(yīng)用[3]。在沙漠地區(qū)建設(shè)光伏項目面臨著諸多挑戰(zhàn)，如地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣等，因此，柔性支架以其獨特的優(yōu)勢在沙漠地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。本文將對柔性支架在沙漠地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用示范的具體項目進(jìn)行詳細(xì)介紹，并展望其未來發(fā)展前景。

1.1 應(yīng)用場景與案例介紹

本文選取了典型的沙漠地區(qū)光伏項目一內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市某光伏治沙項目作為案例：該項目位于鄂爾多斯某地區(qū)，地貌屬庫布齊沙漠區(qū)，庫布齊沙漠屬流動沙漠。本項目場址目前為自然沙漠。場地內(nèi)主要地層為第四系人風(fēng)積成因的粉細(xì)砂，光伏支架基礎(chǔ)采用PHC高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，以稍密細(xì)砂層或中密細(xì)砂作為樁基持力層。

1.2選用柔性支架的原因

柔性光伏支架是一種新型的光伏支架系統(tǒng)，其相對于傳統(tǒng)的鋼材或鋁材支架來說，采用彈性材料制作而成，能夠在風(fēng)力、溫度等自然環(huán)境影響下發(fā)生變形，從而實現(xiàn)更好的抗風(fēng)能力和承載能力。柔性光伏支架指的是由柔性承重索、組件索、PHC管樁、夾具、錨具、拉桿、撐桿、鋼斜柱或斜拉索、鋼梁及基礎(chǔ)組成的一種支架，如圖1所示。柔性支架具有結(jié)構(gòu)簡單、材料使用較少、質(zhì)量輕、建設(shè)周期短等傳統(tǒng)支架所缺乏的優(yōu)點4。

柔性光伏支架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分解如圖2所示。

固定支架與柔性支架對比見表1。

基于以上2種不同支架特點對比分析：由于沙漠地區(qū)的氣候干燥，晝夜溫差大，風(fēng)沙頻繁，地表及地下水資源匱乏，生態(tài)脆弱。如果使用傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)，就容易受到風(fēng)沙侵蝕、腐蝕和溫度變化的影響，導(dǎo)致使用壽命縮短，維護(hù)成本增加，不利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展；考慮到這種結(jié)果，結(jié)合實現(xiàn)光伏治沙的目標(biāo)，以及考慮到節(jié)約占地面積，最終該項目大面積組件選擇使用柔性支架，截至目前，該項目是國內(nèi)首個單體規(guī)模最大，在沙漠地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用柔性支架材料的光伏治沙項目，柔性支架上對應(yīng)組件的容量為 500MW 0

柔性光伏支架根據(jù)光伏組件支撐結(jié)構(gòu)材質(zhì)的不同大概可以分為以下4類，見表2。

該項目使用的柔性支架采用兩固定點之間張拉預(yù)應(yīng)力鍍鋅鋼絞線的方式，兩固定點采用鋼性基礎(chǔ)提供反力，可實現(xiàn) 10～30m 大間距。這種設(shè)計可規(guī)避地形起伏等不利因素，僅在合適的部位設(shè)置基礎(chǔ)點并張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，實現(xiàn)基礎(chǔ)及柔性支架的施工。設(shè)計中，鋼絞線作為組件安裝的支架，計算時需考慮自重，以及風(fēng)壓、雪壓不同荷載組合下的工況，并進(jìn)行受力分析。區(qū)別于傳統(tǒng)支架的剛性變形要求的嚴(yán)格限制（主梁為L/250，次梁為L/200），柔性支架對變形沒有嚴(yán)格限制，目前可根據(jù)實際情況采用撓度容許值 L/30–L/15 ，在這種變形條件下不影響鋼絞線的力學(xué)性能。

1.3柔性支架的實際應(yīng)用優(yōu)勢

應(yīng)用優(yōu)勢有安裝便利、促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)和牧業(yè)以及促進(jìn)沙漠治理和生態(tài)恢復(fù)的發(fā)展3個方面。

第一，安裝便利：柔性支架通過懸、拉、掛、撐四大安裝方法，可實現(xiàn)上、下、左、右各方向的自由架設(shè)，較好地改善跨度較大及地形較差的光伏發(fā)電系統(tǒng)的支撐方式，相比傳統(tǒng)剛性支架，柔性光伏支架的安裝過程更加簡便快捷，能夠顯著縮短施工周期，降低安裝成本。

第二，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)和牧業(yè)的發(fā)展：柔性支架具有較高的凈空高度和大跨距的特點，可以適應(yīng)沙漠地區(qū)地形起伏大的環(huán)境，柔性光伏支架的承重索采用預(yù)應(yīng)力鍍鋅鋼絞線等柔性組件，此類柔性組件具有彈性模量大、松弛率低、強(qiáng)度高等優(yōu)點，能夠進(jìn)行大跨度張拉，從而規(guī)避場地的起伏等不利因素，避免了對地面的破壞，板下種植優(yōu)質(zhì)牧草和藥材等作物，實現(xiàn)立體生態(tài)種植，充分發(fā)揮光伏空間優(yōu)勢，以組件板減少蒸發(fā)、以組件基礎(chǔ)固沙、以作物治沙改土，光伏板建設(shè)、板下種植與畜牧養(yǎng)殖的生態(tài)良性互動，能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)收益，還可有效遏制沙丘移動、治沙改土，創(chuàng)造綠色生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益，為碳中和背景下的“新能源 + 治沙”提供試驗示范，可規(guī)?；_展種植、養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。

第三，促進(jìn)沙漠治理和生態(tài)恢復(fù)：在沙漠地區(qū)建設(shè)光伏項目應(yīng)用柔性支架不僅提高土地利用率，還可以促進(jìn)沙漠治理和生態(tài)恢復(fù)。柔性支架的應(yīng)用從遮陰效果、植被種植與土壤改良、固沙方法3個方面促進(jìn)沙漠治理與生態(tài)恢復(fù)。

第一方面，遮陰效果：柔性支架光伏板下的遮陰效果可以減少土壤水分蒸發(fā)，降低風(fēng)速，為沙漠地區(qū)的植被生長提供有利條件。柔性支架的大跨度設(shè)計使得光伏板下的空間更加開闊，既有利于植被的機(jī)械施工種植，又有利于植被的生長。

第二方面，植被種植與土壤改良：在柔性支架的光伏板下種植耐旱、耐鹽堿的植被，如四翅濱藜等，不僅能夠改善沙漠生態(tài)環(huán)境，還能通過植被的根系固定土壤，防止風(fēng)蝕、水蝕和沙蝕。同時，結(jié)合智能節(jié)水灌溉技術(shù)，可以進(jìn)一步提高植被的成活率和生長速度，以實現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)。

第三方面，固定細(xì)沙，防止流動的方法：在柔性支架的光伏板下采用人工駕駛機(jī)械鋪設(shè)蘆葦稈、微創(chuàng)氣流植樹法、無人機(jī)飛播草籽技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)同步實施沙漠治理生態(tài)建設(shè)工程，修復(fù)治理沙漠?dāng)?shù)萬畝，實現(xiàn)沙漠變綠洲，推動沙漠地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

同時，該項目位于庫布其國際沙漠論壇永久會址附近，柔性支架作為該項目的重要部分之一，柔性支架大規(guī)模的投入使用帶來的治沙效果以及項目的成功建設(shè)是踐行“綠水青山就是金山銀山\"理念的有效實踐和落實“碳達(dá)峰\"“碳中和”目標(biāo)的重要行動，并將通過庫布其國際沙漠論壇這個世界級的平臺向全球環(huán)境治理提供中國理念、中國方案和中國貢獻(xiàn)。

1.4柔性支架在實際應(yīng)用中的特性

柔性支架在沙漠中的特性分為高抗風(fēng)性能和高可靠性，高發(fā)電量2個部分。

第一部分，高抗風(fēng)性能和高可靠性：項目所在地常有大風(fēng)天氣和沙塵暴惡劣天氣，這對于柔性支架是一種嚴(yán)峻的考驗，需要抗風(fēng)性能達(dá)到很高的要求，為了驗證其是一種在實踐中經(jīng)得起檢驗的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，該項目委托第三方檢測機(jī)構(gòu)做了柔性光伏組件風(fēng)洞試驗，以保障運行安全、可靠。下面詳細(xì)介紹一下風(fēng)洞試驗的試驗內(nèi)容。

1.4.1 工程概況

由于項目所在地基本風(fēng)壓大，柔性光伏支架結(jié)構(gòu)跨度大，結(jié)構(gòu)體系在風(fēng)荷載的作用下有一定變形，結(jié)構(gòu)受安裝方式、安裝質(zhì)量控制以及風(fēng)致變形影響，索撐光伏板邊框在多因素作用下可能出現(xiàn)螺栓松脫、邊框變形甚至破壞等問題。采用風(fēng)洞試驗對于索撐光伏邊框位置進(jìn)行測試，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全、經(jīng)濟(jì)、合理，為光伏板安全運營提供依據(jù)。

1.4.2 風(fēng)洞試驗概況

試驗前對試驗?zāi)Ｐ蛥^(qū)的速度剖面進(jìn)行了測量。通過調(diào)整尖塔和粗糙元等的各種幾何參數(shù)，在模型試驗區(qū)獲得GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中所列各類地形所要求的平均速度和相應(yīng)湍流度隨高度變化的風(fēng)速剖面（圖3）。

風(fēng)洞試驗風(fēng)速、采樣時長與工況：試驗采用澳大利亞Cobra進(jìn)行高精度風(fēng)速測試，試驗風(fēng)速為 20m/s （ ±2m/s ），每個工況每次采集總時長為 180s ，共5次。工況列表見表3。

工況說明：對應(yīng)甲方要求與動力相似準(zhǔn)則，索張緊狀態(tài)對應(yīng)光伏板垂度 1cm （振動頻率約 1Hz ，索松弛狀態(tài)對應(yīng)光伏板垂度 2cm ；螺栓張緊對應(yīng)扭矩約20N?m ，螺栓松弛對應(yīng)扭矩約 5N?m 。

1.4.3 風(fēng)洞試驗結(jié)果

定義邊框連接位置編號如圖4所示。

1.4.4 結(jié)果分析

基于風(fēng)洞試驗結(jié)果，獲取邊框變化分析見表4。

1）由風(fēng)洞測試結(jié)果可知，螺栓錯誤連接方式直接決定了光伏板振動，對邊框變形影響極大（圖5），特別當(dāng)螺栓與邊框直接接觸產(chǎn)生應(yīng)力集中時，邊框極易產(chǎn)生變形，其幅值約 1mm 。

2）由風(fēng)洞測試結(jié)果可知，螺栓圓墊與平墊錯誤連接時，邊框并未發(fā)現(xiàn)明顯變形（圖6）。

3）其他正確連接的位置，邊框均未發(fā)現(xiàn)明顯變形。

綜上所述，通過對單塊光伏板在不同索預(yù)應(yīng)力和螺栓松緊工況下的測試可以發(fā)現(xiàn)：試驗初始狀態(tài)螺栓正確安裝且按力矩 15～20N?m 擰緊情況下，未出現(xiàn)螺栓松動和邊框磕碰摩擦痕跡。試驗初始狀態(tài)螺栓未擰緊工況下，彈墊沒有發(fā)揮作用的情況下，螺栓逐漸松動，可能導(dǎo)致組件的邊框與鋁合金扣件的磕碰變形，甚至導(dǎo)致螺栓脫落

根據(jù)風(fēng)洞試驗的試驗結(jié)論說明：在正確安裝的情況下，柔性支架的穩(wěn)定性是滿足要求的，而且在長期惡劣的大風(fēng)天氣下，尤其在每年3一4月份沙塵暴的覆蓋下，組件沒有出現(xiàn)被風(fēng)刮翻掉落支架的現(xiàn)象，這說明了柔性支架的穩(wěn)定性和抗風(fēng)性能是能經(jīng)得起實際考驗的，從而保障組件能夠安全穩(wěn)定地運行。

第二部分，高發(fā)電量：通過從光伏電站的監(jiān)控系統(tǒng)后臺獲得實際運行的發(fā)電量數(shù)據(jù)，為了客觀地分析對比不同支架類型光伏組件的發(fā)電情況，引入“等效利用小時數(shù)”作為衡量同等裝機(jī)容量光伏組件發(fā)電能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

等效利用小時數(shù)（h）=指定時間段內(nèi)光伏系統(tǒng)發(fā)電量（kWh）／對應(yīng)光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量（kWp）

采集了柔性支架和固定支架安裝的晶硅組件所上安裝的晶硅組件所對應(yīng)的逆變器上樣本一共4個，對應(yīng)的逆變器上的7月份數(shù)據(jù)，柔性支架和固定支架 結(jié)果見表5。

根據(jù)表5數(shù)據(jù)分析，通過柔性支架樣本1與固定支架樣本1數(shù)據(jù)對比、柔性支架樣本2與固定支架樣本2數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)都是柔性支架的樣本以更小的陣列容量得到了更高的發(fā)電量，即相同類型的晶硅組件在 1kW 峰值的容量下，安裝在柔性支架上的組件發(fā)電量高于安裝在固定支架的組件。

2柔性支架在沙漠地區(qū)的前景分析

2.1技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，柔性支架在材料科學(xué)、工程設(shè)計和自動化技術(shù)上的創(chuàng)新不斷推動其應(yīng)用范圍的擴(kuò)展和性能的提升。例如，柔性電子技術(shù)的發(fā)展結(jié)合組件和逆變器的技術(shù)升級，相應(yīng)設(shè)備的升級換代，為柔性支架在環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集方面提供了新的可能性，比如增強(qiáng)監(jiān)控后臺對于電氣設(shè)備電氣量和非電氣量的監(jiān)控，以及電站中控室后臺對于設(shè)備的遠(yuǎn)方控制的功能，節(jié)約運行人員往返現(xiàn)場就地操控的時間，對于值班人員的數(shù)量要求不高，實現(xiàn)少人值班，節(jié)省人力，為光伏電站的運行帶來方便。因此，增強(qiáng)了其在沙漠地區(qū)的適用性和適應(yīng)性。未來，柔性支架將更加注重輕量化、智能化和模塊化設(shè)計，以適應(yīng)更廣泛的沙漠環(huán)境和更高的發(fā)電需求，從而推動市場的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 政策支持

隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮脑黾?，光伏行業(yè)迅速發(fā)展，柔性光伏支架以其獨特的優(yōu)勢，在光伏電站的建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。政府對于可再生能源和沙漠治理的支持力度不斷加大，為柔性支架在沙漠地區(qū)的應(yīng)用提供了廣闊的市場前景。例如，《國家能源局綜合司國家林業(yè)和草原局辦公室關(guān)于有序推進(jìn)光伏治沙項目開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知》8，其中明確提到要因地制宜實施光伏治沙項目，鼓勵在光伏電站應(yīng)用大跨度柔性光伏支架。有了相關(guān)的政策支持，為柔性支架的應(yīng)用帶來更多機(jī)遇。

2.3 成本分析

柔性支架系統(tǒng)的主要組成部分的材質(zhì)成分：同一組柔性支架組件的管樁頂部之間的鋼梁、樁頂焊板，鋼梁材質(zhì)是H型鋼，索系統(tǒng)之間的拉桿、柱間支撐和撐桿采用Q235B級鋼，拉索為鋼絞線。

從成本價格的角度來分析，H型鋼：自2023年7月31日起的一年內(nèi)，3個廠家生產(chǎn)的H型鋼價格都有所波動，但價格波動趨勢都大致相同，相比于去年7月份的價格，差別不大，但是2024年最新月份的價格更低（圖7）。

Q235B鋼：自2023年8月1日起，此時價格接近4100元/t，并于一年內(nèi)，價格出現(xiàn)先上漲后下跌的現(xiàn)象，到2024年7月21日，其價格是近一年內(nèi)最低的，為3900元/t（圖8）。

鋼絞線：自2023年7月31日起的一年里，其成本價格均有所波動，反復(fù)漲跌，但截至2024年7月29日，鋼絞線的價格相對于上一年同期的價格已經(jīng)從高于4700元/t下跌至低于4400元/t（圖9）。

截至圖中統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示的最新時間，三者整體的價格較于上一年同期都有所下降，且根據(jù)價格走勢圖預(yù)測價格在未來一定的時間內(nèi)將持續(xù)走低（圖 7^[9] 圖8、圖9[0）。隨著柔性支架成本價格的降低，給其大規(guī)模應(yīng)用提供了重要的必要的條件。

3 結(jié)論與展望

柔性支架作為一種先進(jìn)的光伏支架，通過具體的建設(shè)項目在沙漠的大規(guī)模應(yīng)用示范，相對于傳統(tǒng)固定支架，柔性支架憑借自身的優(yōu)勢特點得以在沙漠中大規(guī)模應(yīng)用，在實際安裝、運行過程中發(fā)揮出的獨特的應(yīng)用優(yōu)勢和在風(fēng)洞試驗下得出的高抗風(fēng)性能和穩(wěn)定性，以及在運行過程中采集的柔性支架組件所對應(yīng)逆變器數(shù)據(jù)相對于固定支架組件所對應(yīng)逆變器數(shù)據(jù)相分析得出更高的發(fā)電量，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展趨勢、政策的支持、原材料成本價格的降低等方面增加了柔性支架將在沙漠地區(qū)實現(xiàn)更加廣泛的大規(guī)模應(yīng)用的可能性。同時，為推動沙漠治理和光伏發(fā)電的協(xié)同發(fā)展積累了一定的建設(shè)和運行經(jīng)驗，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

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