山地光伏支架基礎選型的研究及設計應用

陳才生

摘要：全球經濟的大發展伴隨著能源供應緊張、環境污染和氣候變化等問題的到來，尋求新的清潔、綠色新能源成為當前世界各國共同研究的新課題。新能源中最具代表性的光伏發電在近些年來得到了快速的發展，利用荒地和山地來修建光伏發電站，在不破壞環境的情況下實現清潔能源的利用。山地光伏的水文、地質構造條件及植被分布復雜，對光伏支架的要求比較高，因此面臨著設計施工難度大、造價高、周期長等問題。本文將從山地光伏發電站的特點及光伏支架基礎受力特點出發，對傳統光伏支架基礎設計難點進行了分析，最后詳細闡述了山地光伏支架的基礎形式設計，希望能給到相關人士一些建議和幫助。

關鍵詞：山地;光伏支架;受力特點;基礎設計

太陽能是最具代表性的新能源，以其分布廣泛和可再生的特點在全球范圍內得到了廣泛地使用，并且在能源結構中的占比越來越大。在我國隨著光伏發電站的不斷建設，可供選擇的平地資源越來越少，因此山地光伏的開發逐漸走進人們的視野。山地光伏的建設受到地形地勢的影響，其造價和布局的難度大大增加，因此需要對山地光伏支架基礎進行創新和改進。

一、山地光伏發電站的特點及支架基礎受力特征

1.1 山地光伏發電站的特點

山地光伏發電系統的一般都是依照天然地形條件采用順坡布置，光伏組件按照所在山地的最佳照射角度進行設置，一般會將東西方向的傾角順應山坡而建，傾角根據當地光資源及方位角確定。光伏組件的南北方向、東西方向的傾角都是依靠光伏支架系統進行控制和調節的，這就要求光伏支架基礎預留足夠調整裕度。在山地光伏系統的施工過程中，光伏支架基礎的作業面較小，不宜使用大型機械進行大范圍內的施工，只能人工作業。山地的地質構造條件對于支架基礎的修建來說是非常惡劣的，地面上多為砂礫巖等堅硬的巖層，因此支架基礎施工難度增大，全是小范圍的人工作業，工程工期增長，導致成本增加。所以山地光伏發電站的建設需要考慮多方面的因素，包括太陽能光照資源、地形地貌、地質構造等，確保光伏組件的安裝工作能夠快速進行。此外，還需考慮山地光伏電站的后期運營管理成本。

1.2 山地光伏支架形式及基礎受力特征

山地光伏發電系統的結構為：上層是光伏發電組件，利用太陽能轉化為電能，為人類提供清潔綠色的能源。中上層是支撐結構，一般采用鋼結構支架形式。下部為光伏支架的基礎部分，主要承受上部光伏組件和中部支撐結構的重量和風荷載。在整個光伏系統中起著控制作用的是風荷載，基礎受力一般有兩種情況，在順風工況下，支架基礎主要承受豎向的壓力和水平方向的推力;在逆風工況下，支架基礎主要承受向上的拔力和水平方向的推力，因此山地光伏所選擇的支架結構形式既要滿足支架的各種受力特點，還需具有施工簡單、工程量小的特點。

二、傳統光伏支架基礎施工建設與設計難點

2.1 傳統光伏支架基礎施工建設

光伏支架基礎的施工是光伏發電站建設中的重要環節，在建設的過程中受到諸多因素的影響，例如項目所在地的地質條件、氣候條件、建設條件等，由于工程量較大，且施工工期較長，因此也是光伏發電站建設的關鍵所在。當前我國常用的光伏支架基礎形式有鋼筋混凝土獨立基礎、配重式混凝土支墩基礎、預應力管樁基礎、微孔灌注樁基礎和鋼制螺旋樁基礎等。鋼筋混凝土獨立基礎常采用的型式一般有預制鋼筋混凝土結構和階型現澆結構，施工過程中需要進行基坑開挖和土體回填，優勢在于能夠減小不均勻沉降，缺點是工期長，費用高。配重式混凝土支墩基礎，一般也可采取預制式或現澆式，優勢在于基礎施工無需進行基坑開挖及回填，缺點是需要預先整平場地，并配置足夠的模板。預應力管樁基礎的施工步驟為：打樁機就位、施打預制樁、樁頂焊接鋼板，優勢在于基礎穩固，缺點是對機械設備和地質條件的要求較高，因此使用的范圍較窄。鋼制螺旋樁施工步驟為：打樁機就位、螺旋樁施工，這種基礎的優勢在施工速度塊、樁基施工完成后可立即進行支架安裝，缺點是成本高，耐腐蝕性差，對砂土地質不適用。以上這些傳統光伏支架基礎形式一般不能很好適用于山地光伏項目的建設之中，因此需要我們進行不斷的創新和研究，尋找適合山地光伏支架基礎建設的方法。

2.2 光伏支架基礎設計的難點

隨著我國社會經濟的不斷發展，對能源的需求在不斷的增長之中，光伏發電因其適用范圍廣、可再生、清潔綠色的特點在全國范圍內迅速推廣，并且在能源的配比中也逐漸占有更高的比例。我國的光伏發電站大多數都建立在太陽光資源豐富，自然條件惡劣，土地產能低的西北部地區。隨著光伏發電站建設規模的不斷增加，西北部地區的平地資源在不斷地減少，因此山地光伏電站的建設成為當前的主要形式。光伏發電站的建設需要考慮兩個方面的因素：首先是地形，光伏電站的設計要結合實際的地形條件，安裝方式、方陣設計、支架設計、基礎選型等因素都要考慮在內，這樣才能夠將光伏組件的設計與光伏支架的設計進行有效的匹配，不僅要保證設計的合理性，還要保證最大發電效率。其次是工期及成本，兩者相輔相成，在一定程度上也影響到整個項目的財務測算。光伏發電站的支架基礎設計面臨著眾多的難點與外在因素影響，再者光伏發電站的建設過程對機械設備和建設材料的要求都很高，這就導致了建設成本的增加。尤其是建設山地光伏發電站，又會面臨著各種的施工難題，導致工期延長和成本的直線上升。

三、山地光伏支架的基礎設計

3.1 進行適應性設計應用

光伏支架及基礎設計時，風荷載是控制荷載。與平地光伏電站設計相比，山地光伏荷載取值更加復雜。風載的風壓高度變化系數不僅要考慮地面粗糙度的影響，還應考慮地形條件的修正，在山峰及山坡處及與風向一致的谷口處，一般風荷載比平地處風荷載大;在谷地、盆地等閉塞地形，風載取值一般比平地處略小。支架基礎設計時，應根據實際地形分類設計，在確?；A的設計安全的同時，能有效控制成本，有的放矢。

3.2 進行新技術設計應用

以電動支架潛孔鉆機為代表的新技術應用，表現出了良好的地形適應性、高穩定性、高安全性等，它的使用十分方便，采用的是人工裝卸的方式。這種新技術的應用效果十分顯著，以風化石層和鵝卵石層為例，打孔工作能夠一次性完成，不用進行二次打孔。針對山地光伏發電站地形復雜的特點，可以使用電動支架潛孔鉆機進行鉆孔，它的鉆孔靈活性非常高，且不易產生污染，具有降低人工的工作量，加快工程工期的優點，因此得到了廣泛地使用。

3.3 進行微型樁設計應用

在山地光伏發電站的建設中，光伏支架基礎的建設數量眾多。傳統的支架基礎建設要求使用挖掘機進行，這樣的施工過程會造成植被的破壞和渣土的殘留，增加了后期的工作量。支架基礎設計時根據地質條件選取合適的微型樁形式，利用小型履帶式鉆孔機進行微型樁施工，鉆孔孔徑小且鉆孔深度淺，因此不會對周圍植被造成太大的影響，施工成本較低且施工速度快。其次在對微型樁基礎進行回填的過程中，不會產生大量的基槽余土，更不會造成環境污染，符合當前對可持續發展和環保的雙重要求。

結語：綜上所述，我們不難看出光伏發電站對于改善當前能源緊張和環境污染問題具有十分重要的作用和意義。我國當前的光伏發電站的建設正逐步向著山地光伏的方向進行，通過對光伏支架基礎設計的不斷改進和完善，我們在確保光伏支架基礎安全性的同時，逐步降低了其建造成本，未來我們要不斷地對光伏支架基礎進行技術性的創新，更進一步縮短工程工期，降低工程成本。

參考文獻

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