提高鋼材強度對降低光伏支架用鋼量及費用的分析

摘要：針對東南亞某國集中式光伏發(fā)電項目光伏支架用鋼量進行優(yōu)化設(shè)計。通過提高鋼材等級，進行結(jié)構(gòu)建模計算分析，對用鋼量及費用進行對比分析。分析結(jié)果顯示，提高鋼材等級對光伏支架減少用鋼量和費用是可行的。該項目采用高等級鋼材替代低等級鋼材，最終顯著降低用鋼量及工程費用。

關(guān)鍵詞：光伏支架;鋼材等級;用鋼量

Abstract：Aim at reducing steel consumption of a PV power project’s PV support structural steel in Southeast Asia. Through improvement of strength class，combine with structural modeling analysis，to comparatively analyze steel consumption and cost. Based on analysis results，it is feasible to reduce steel consumption and cost by improving the steel strength class of PV support. The project used higher strength class steel to replace the lower，finally the steel consumption and cost are significantly reduced.

Keywords：PV support;Steel strength class;Steel consumption

引言

世界各國對能源發(fā)展不斷探索，光伏發(fā)電已成為最主流新型能源之一。習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表講話，提出中國將提高國家自主貢獻力度，力爭于2030年前達到碳排放峰值，并努力爭取 2060年前實現(xiàn)碳中和。中國的光伏發(fā)電也在該政策的引領(lǐng)下蓬勃發(fā)展，各項政策也讓光伏行業(yè)從補貼時代進入競爭更加激烈的平價上網(wǎng)時代。本文基于東南亞某光伏項目固定支架，采用高強鋼與普通鋼進行設(shè)計對比，重點分析其用鋼量及費用的差異。

1 工程設(shè)計概況

東南亞某國新建集中式地面光伏電站，場地內(nèi)地勢平坦，抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計基本加速度：0.05g，第二組，建筑場地類別為Ⅱ類。50年一遇3s陣風(fēng)10m處風(fēng)速為31.3m/s，無雪荷載。項目總共分為三個子項目，裝機容量分別為兩個40MWp及一個30MWp，合計110MWp。光伏組件采用國產(chǎn)單晶硅445Wp組件，組件尺寸長寬高分別為2094mm×1038mm×35mm，自重荷載23.5kg。每個陣列單元由58塊組件組成，單個陣列單元長寬尺寸為30.662m×4.208m。光伏支架均采用固定支架的形式，其中兩個40MWp項目傾斜角度為16°，剩余一個30 MWp項目傾斜角度為11°。縱向支架立柱間距3.0m和3.3m，組件最低點離地高度0.8m，一個陣列單元共9跨，10個立柱，支架鋼材均采用冷彎薄壁型鋼。支架陣列單元平面布置如圖1-1所示，支架側(cè)視圖如圖1-2。支架基礎(chǔ)采用微孔灌注樁，單柱單樁形式，樁頂高出地面0.3m。

2 支架設(shè)計

在項目設(shè)計初期，光伏支架主要構(gòu)件材料采用Q355B冷彎薄壁型鋼。用鋼量雖已盡量優(yōu)化，但由于項目地處海外，材料為國內(nèi)采購，運輸、關(guān)稅等費用仍然較高。為繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計，在保證質(zhì)量的前提下優(yōu)化工程量，降低工程費用，參考其他學(xué)者優(yōu)化設(shè)計方法[1][2]，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員決定對主要構(gòu)件采用Q420B鋼替代Q355B鋼。其余零星構(gòu)件用鋼量占比較小，并且多數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，采用Q235B鋼材，本文不予論述。

2.1 Q355B鋼材設(shè)計分析

本文設(shè)計過程均遵循相關(guān)國家及行業(yè)規(guī)范[3-8]。Q355B鋼材的設(shè)計主要性能如下：抗拉/壓/彎強度：f=310N/mm2;抗剪強度：fv=180 N/mm2;端面承壓強度：fce=400N/mm2。

結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件采用目前國際認可度較高的有限元分析軟件SAP2000。柱腳與基礎(chǔ)連接形式采用固定連接，立柱與斜梁、支撐與立柱均設(shè)置為鉸接。本工程光伏支架計算模型如圖2-1所示。

根據(jù)有限元分析設(shè)計結(jié)果，采用Q355B冷彎薄壁型鋼設(shè)計的單個陣列單元光伏支架主要構(gòu)件截面尺寸及用鋼量如表2-1、2-2所示。

根據(jù)統(tǒng)計，11°傾角單個陣列單元主要構(gòu)件用鋼量為527.71kg，鋼材牌號為Q345B。換算到每MWp裝機容量用鋼量為20.45t（僅為主要構(gòu)件用鋼量，包含立柱、斜梁、檁條及支撐，未包含零星構(gòu)件，下同）。16°傾角單個陣列單元主要構(gòu)件用鋼量為580.83kg，鋼材牌號為Q345B。換算到每MWp裝機容量用鋼量為22.50t。

2.2 Q420B鋼材設(shè)計分析

Q420B鋼材的設(shè)計主要性能如下：抗拉/壓/彎強度：f=375N/mm2;抗剪強度：fv=215 N/mm2;端面承壓強度：fce=440N/mm2。

根據(jù)有限元分析設(shè)計結(jié)果，采用Q420B冷彎薄壁型鋼設(shè)計的單個陣列單元光伏支架主要構(gòu)件截面尺寸及用鋼量如表2-3、2-4所示。

根據(jù)統(tǒng)計，11°傾角單個陣列單元主要構(gòu)件用鋼量為470.79kg，鋼材牌號為Q420B。換算到每MWp裝機容量用鋼量為18.24t。16°傾角單個陣列單元主要構(gòu)件用鋼量為520.60kg，鋼材牌號為Q420B。換算到每MWp裝機容量用鋼量為20.17t。

2.4 用鋼量對比分析

根據(jù)前兩節(jié)計算結(jié)果對比，當(dāng)鋼材型號從Q345B改為Q420B之后，11°傾角單個陣列單元主要構(gòu)件用鋼量為從527.71kg 下降到470.79kg，每MWp裝機容量用鋼量為從20.45t 下降到18.24t。該項目采用11°傾角的裝機容量為30MWp，合計減少用鋼量為66.3t。

16°傾角單個陣列單元主要構(gòu)件用鋼量為從580.83kg 下降到520.60kg，每MWp裝機容量用鋼量為從22.50t 下降到20.17t。該項目采用16°傾角的裝機容量為80MWp，合計減少用鋼量為186.4t。

3 經(jīng)濟性分析

在采用Q345B設(shè)計時，該項目三個子項光伏支架主要構(gòu)件的合計用鋼量為2413.5t，改為Q420B之后，用鋼量為2160.8t，用鋼量總共下降了252.7t。由于項目地處海外，但光伏支架采用國內(nèi)采購的模式，因此運輸費也較為高昂。根據(jù)測算，雖然每噸Q420B的出廠價比Q345B高出約300元，但減少的用鋼量及運輸費用合計為158萬元。

4 結(jié)論及建議

本文對東南亞某個光伏項目的光伏支架結(jié)構(gòu)進行了用鋼量優(yōu)化分析，得到了以下結(jié)果及建議：

（1）光伏支架設(shè)計在提升鋼材型號時能顯著降低用鋼量，從Q345B提升到Q420B時，用鋼量降低幅度約為10%。

（2）由于目前國際光伏項目的支架采購多數(shù)采用國內(nèi)廠家，運輸距離較遠，因此用鋼量減少對節(jié)省運輸費用能起到明顯作用。

（3）本工程設(shè)計所采用的風(fēng)荷載較小，無雪荷載，而這兩種荷載對光伏支架用鋼量的影響都較為明顯，因此本文的結(jié)論可以作為類似外部條件工程項目前期階段的工程量分析或投標(biāo)報價的參考和借鑒。

（4）下階段工作，將對于外部條件不同的光伏工程進行分析對比，以了解提高鋼材牌號是否能夠在更多條件下顯著降低工程費用，降低比例是否還能進一步提高。

參考文獻

[1]徐東，張洪信，高雷，等. 青島市太陽能光伏電站及其支架設(shè)計[J]. 青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2016，31（2）：59-64.

[2]唐俊福，林建平，霍靜思，等. 柔性光伏支架結(jié)構(gòu)特性分析及其優(yōu)化設(shè)計[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報（自然學(xué)科版），2019，40（3）：331-337.

[3]光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程：NB/T 10115-2018[S]. 北京：中國計劃出版社，2018.

[4]太陽能光伏系統(tǒng)支架通用技術(shù)要求：JG/T 490-2016[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[5]光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范：GB50797-2012[S]. 北京：中國計劃出版社，2012.

[6]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[7]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017-2017[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[8]冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范：GB50018-2002[S]. 北京：中國計劃出版社，2002.

作者簡介：甘子牛，1991.7，男，漢族，成都，工程師，碩士研究生，中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，結(jié)構(gòu)設(shè)計及項目管理。