光伏電站支架及基礎設計

周 穎

中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司

我國太陽能光伏發電發展潛力巨大，近年來，配合積極穩定的政策扶持，光伏電站建設取得了巨大成就。在光伏電站設計中，支架設計是確保太陽能光伏系統安全性、使用性的關鍵。以某光伏電站為例，結合場地工程地質、氣象條件等基本資料，通過有限單元計算分析，制定出經濟合理的支架形式，基礎采用獨立基礎。

引言

在眾多的可再生能源中，以太陽光能的資源數量最豐富、分布范圍最廣泛，而且把太陽能轉換成電能的技術已相當成熟，適宜推廣普及。建立光伏電站具有建設周期短、投資回收期長等優勢，其發展勢頭迅猛。在光伏電站建設中，支架是確保光伏系統安全可靠，正常使用的基礎。本文總結了某光伏電站支架結構設計，以期為越來越多的光伏電站建設帶來幫助。

項目概況

某光伏電站擬建電場規模為50MW，場區面積為10.6km2，擬建場地地面海拔高程約在1690～1700m。

建筑場地劃分為對建筑抗震有利地段，不存在不良地質作用。建筑場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜特征周期為0.10s。根據調查，地下水位埋深較大，電場各建構筑物基礎埋深很淺，可不考慮地下水的影響。標準凍結深度為1.40m。項目區最大風速以28m/s。場地土類型主要為卵石，地基土主要物理力學參數見下表。

表1 地基土的主要物理力學參數

電池板每個組件1650mm×992 mm×40mm。采用固定式，支架傾斜角度33°。所有電池組件支架由立柱、斜梁、斜撐、檁條及連接部位的附件組成，立柱、斜梁、斜撐檁條為均為薄壁型鋼，連接螺栓以及螺母墊片等采用C級不銹鋼螺栓。所選用鋼結構主材材質不低于Q235B。

光伏支架設計

控制標準

變形控制標準

風荷載取標準值或在地震作用下支架的柱頂位移不應大于柱高的1/60。

受彎構件撓度容許值不應超過表2 的規定。

結構應力控制標準

本工程設計年限為25年，支架采用冷彎薄壁型鋼，Q235B 型鋼材，結構應力應滿足《鋼結構設計規范》（GB50017）等相關規范要求，應力取值為205kN/m2。

荷載及荷載組合

荷載

（1）恒載

光伏電池板自重為每個組件19.5kg，20 片組件一個陣列，電池板自重390×10=3.9KN

陣列自重=電池+邊框+接線盒=6KN（估算）

自重標準值取值0.2 kN/m2

（2）可變荷載

50年一遇，基本雪壓為0.2 kN/m2

雪荷載標準值0.2×0.6=0.12 kN/m2

50年一遇，基本風壓為0.35kN/m2

施工和檢修集中荷載根根光伏設計規范：取值1kN。

荷載組合

荷載組合主要考慮結構恒載和可變荷載，其中風荷載考慮兩種工況，如表3 所示。

表2 受彎構件撓度容許值

表3 風荷載工況

根據工程實際情況，荷載組合如下：

（1）1.20 恒載

（2）1.20 恒載+1.40 風載工況1+1.0 雪壓

（3）1.20 恒載+1.40 風載工況2+1.0 雪壓

（4）1.00 恒載+1.40 風載工況1

圖1 計算模型圖

圖2 組合位移結果Uxyz（mm）

圖3 支架基礎尺寸圖

（5）1.00 恒載+1.40 風載工況2

（6）1.35 恒載+1.40×0.60 風載工況1

（7）1.35 恒載+1.40×0.60 風載工況2。

內力及位移計算結果

計算模型

利用有限元軟件建立三維空間模型。梁端和柱頂之間取為固結。柱底和基礎之間取固定端。結構構件的受拉強度應按凈截面計算受壓強度應按有效凈截面計算穩定性應按有效截面計算構件的變形和各種穩定系數可按毛截面計算，計算模型見圖1。

計算結果

經過數值計算分析，在荷載組合工況2 時，支架產生最大內力。最大內力統計表如表4 所示。

表4 最大內力統計表

強度和整體穩定校核

強度校核時，前柱、后柱及斜撐主要通過最大應力比、長細比校核，主梁、次梁還應對撓度進行校核。容許長細比[λ]取180，容許撓度對于主梁取1/250，次梁取1/200。最大組合位移結果如圖2 所示，對典型單元驗算結果詳見表5。由計算可知，設計所選用的材料參數是滿足結構安全要求的。

根據地質勘測資料，支架主要持力層為砂礫卵石層，為凍漲等級為Ⅰ級，凍漲類別為不凍漲。基礎寬度不小于0.6m，基礎地面允許最大凍土深度為0.7m。

基礎埋深dmin=zd-hmax=1.4-0.7=0.7m，基礎埋深最終取值0.8m。

陣列下布置8 個獨立基礎，具體尺寸如圖3 所示。

基礎設計

表5 典型單元驗算結果表

防腐設計

所有鋼構件、緊固件（除內六角螺栓外）均應熱鍍鋅防腐鍍鋅層厚度不小于75μm，內六角螺栓外采用粉末滲鋅處理，處理厚度不小于30μm，防腐壽命不低于25年，熱浸鍍鋅滿足《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及試驗方法》GB/T13912-2002 中規定。鋁合金構件采用陽極氧化處理措施，陽極氧化膜厚度不小于15μm。

結束語

光伏發電是目前國內外開發利用新能源和可再生能源的重要內容，近年來，我國加大了對太陽能光伏的推廣和應用。在太陽能光伏的應用中，光伏組件支架設計是確保太陽能光電組件安全性、使用性的關鍵。文中以某光伏項目為背景，詳細進行了該光伏支架的設計。