甘肅省光伏發電工程中光伏支架及其基礎形式的探討

李欣哲

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000)

0 引言

面對全球能源結構過度依賴化石燃料及化石燃料對環境污染日益嚴重的現狀，可再生能源的開發利用項目日益增多。近年來，太陽能作為一種無污染、獲取方便的可再生能源已得到了極大程度地開發利用[1-2]。甘肅省地處我國西北地區，其地域遼闊、地勢海拔高，具有年晴天天數較多、日照時間長、大氣透明度好等氣候環境特點，太陽能資源頗為豐富，年最大太陽輻射量可達6000 MJ/m2，全省年太陽能資源理論儲量達241×1012MJ，開發利用潛力巨大。同時，《甘肅省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》指出，要把經濟發展轉變到依靠科技進步、資源節約、環境友好的軌道上來。因此，甘肅省可以充分利用其地理及氣候資源優勢，大力推廣光伏發電項目在該地區的應用[3]。

由于甘肅省的地貌多為沙漠、山地和未開發的荒地，因此，在這種復雜地貌下建設光伏發電項目時，光伏支架及其基礎形式的選擇尤為重要。本文對光伏發電項目中幾種常用的光伏支架及其基礎形式進行了介紹，結合甘肅省的地理資源情況對不同光伏支架及其基礎形式的施工難度、施工成本，以及光伏支架的受力特點、材料及制造工藝等方面進行了對比分析，并選擇出最適合的光伏支架方案，以期可以為甘肅省光伏發電項目的設計和施工提供參考。

1 光伏支架基礎形式的選擇分析

1.1 光伏支架基礎形式的優、缺點及地形地貌適宜性

甘肅省的地形地貌復雜多樣，而在該地區建設的光伏發電項目多位于山地、沙漠和戈壁地區，因此這些光伏發電項目采用的光伏支架基礎形式主要以鉆孔灌注樁基礎、獨立柱擴展基礎、螺旋鋼管樁基礎、鋼筋混凝土條形基礎，以及近年來在農光互補光伏發電項目中廣泛應用的PHC預制樁基礎為主[4-6]。各種光伏支架基礎形式的實物圖及剖面圖如圖1～圖5所示。

圖1 鉆孔灌注樁基礎的實物圖和剖面圖Fig.1 Photo and section drawing of bored cast-in-place pile foundation

圖2 獨立柱擴展基礎的平面圖和剖面圖(單位：mm)Fig.2 Plane drawing and section drawing of independent column spread foundation(Unit：mm)

圖3 螺旋鋼管樁基礎的實物圖和剖面圖Fig.3 Photo and section drawing of spiral steel pipe pile foundation

圖4 鋼筋混凝土條形基礎的實物圖和剖面圖Fig.4 Photo and section drawing of reinforced concrete strip foundation

圖5 PHC預制樁基礎的實物圖和剖面圖Fig.5 Photo and section drawing of PHC precast pile foundation

根據實踐經驗，結合光伏支架基礎形式的特點，對不同地形地貌特征下各種光伏支架基礎形式的優、缺點及其適用性進行總結，具體如表1所示。

1.2 光伏支架基礎形式的經濟性與技術性比較

從地質條件來看，鉆孔灌注樁基礎和螺旋鋼管樁基礎適用于一般填土、粘性土、粉土、砂土、砂礫石層等。獨立柱擴展基礎和鋼筋混凝土條形基礎適用于卵石層或樁基無法成孔的地層等。PHC預制樁基礎適用于黏性土層。

表1 各種光伏支架基礎形式的優、缺點及地形地貌適宜性Table 1 Advantages, disadvantages, terrain and landform suitability of various PV bracket foundation forms

1)經濟性方面：在各類光伏支架基礎形式均適用的同一地質條件下，相較于其他類型的光伏支架基礎形式，樁類基礎的價格較低，在甘肅省應用更具有經濟性，因此，本文選擇了鉆孔灌注樁基礎和螺旋鋼管樁基礎。其中，鉆孔灌注樁基礎的價格比螺旋鋼管樁基礎的價格略低。

2)施工便利性方面：若光伏發電項目的場址是在山地地區且地形復雜，那么光伏支架基礎采用鉆孔灌注樁基礎時，機械設備的施工難度會較大。

若采用螺旋鋼管樁基礎，施工時螺旋鋼管樁與光伏支架立柱螺栓連接高度的調節會更為靈活，施工也更為方便。對于建在山頂處的光伏方陣，可以通過調節螺旋鋼管樁與光伏支架立柱螺栓連接高度及增加螺旋鋼管樁的長度來滿足光伏組件的設計標高；對于建在向南山坡上的光伏方陣，可以通過調節螺旋鋼管樁與光伏支架立柱螺栓連接高度，或增加光伏支架立柱的長度來滿足光伏組件的設計標高。

2 光伏支架形式的選擇分析

2.1 光伏支架形式比較

通常，光伏發電項目中采用的光伏跟蹤器有被動式或電驅動式2種。其中，被動式的光伏跟蹤器適用于規模較小的光伏發電系統；電驅動式的光伏跟蹤器適用于規模較大的光伏發電系統，其在國外已有大規模的應用，國內這兩年也進行了大量的應用示范，技術已基本成熟。根據光伏支架是否配置了光伏跟蹤器，可將光伏支架分為未配置光伏跟蹤器的固定式光伏支架和配置了光伏跟蹤器的光伏跟蹤支架兩大類。其中，跟蹤光伏支架可分為單軸跟蹤光伏支架、雙軸跟蹤光伏支架。下文將根據甘肅省光伏發電項目中光伏支架形式的使用情況進行詳細分析。

2.1.1 固定式光伏支架

在前后排光伏陣列保持最優間距且互不遮擋的前提下，根據計算得到的最佳太陽入射角度設置固定式光伏支架的傾斜角度。固定式光伏支架可分為可調與不可調這2種。目前固定式光伏支架的安裝技術較為成熟、成本相對較低、應用較為廣泛。而且此類光伏支架的生產制造工藝簡單、快捷，安裝也極為方便，可大幅縮短施工工期，給光伏發電項目帶來了很好的經濟效益。

固定式可調光伏支架可根據夏季、冬季這2個季節以不同傾斜角度來布置，將光伏支架傾斜角度調節到該季節可使光伏陣列接收到的太陽輻照量最高時對應的角度，以此來提高光伏陣列的發電量。但固定式可調光伏支架的缺點是調整的工作量大，操作要求高，且后期的維護費用較高。

2.1.2 單軸跟蹤光伏支架

單軸跟蹤光伏支架可以分為平單軸跟蹤光伏支架和斜單軸跟蹤光伏支架這2種。單軸跟蹤光伏支架的原理是通過1根旋轉軸使光伏陣列的正面始終可以跟蹤太陽，旋轉軸可實現任意方向的旋轉，但旋轉方向通常為東西橫向旋轉或平行于地軸方向旋轉。旋轉軸貫通單個光伏陣列。單軸跟蹤光伏支架對太陽光線進行跟蹤時，只能依據太陽方位角或太陽高度角其中一種作為目標進行跟蹤。

2.1.3 雙軸跟蹤光伏支架

雙軸跟蹤光伏支架是通過2根旋轉軸時刻跟蹤太陽光線，保持光伏陣列正面始終與太陽直射光線垂直。該類型光伏支架可同時以太陽方位角和太陽高度角為目標進行跟蹤。

2.2 不同光伏支架形式的經濟性和技術性對比

對不同光伏支架形式的經濟性和技術性進行對比分析。

根據光伏發電項目所在地的地質條件，不同跟蹤光伏支架對光伏發電項目發電量的影響存在差異，投資成本也會不同，因為跟蹤光伏支架在提高光伏發電項目整體發電量的同時，還會顯著增加光伏發電系統的建設成本(其中，雙軸跟蹤光伏支架＞斜單軸跟蹤光伏支架＞平單軸跟蹤光伏支架)；且跟蹤光伏支架的耗電量較大。

與采用固定式不可調光伏支架的光伏發電系統相比，采用固定式可調光伏支架的光伏發電系統的建設成本增加約2%，發電量增加3%；采用斜單軸跟蹤光伏支架的光伏發電系統的建設成本增加約26%，發電量增加15%；采用雙軸跟蹤光伏支架的光伏發電系統的建設成本增加約43%，發電量增加20%。

鑒于甘肅省使用較為廣泛的3種光伏支架形式，以裝機容量為3 MW的單個光伏方陣為例，對其分別采用固定式光伏支架、固定式可調光伏支架及平單軸跟蹤光伏支架時的經濟性和技術性進行比較，具體如表2所示。

從表2可以看出，固定式可調光伏支架系在甘肅省某光伏發電項目中應用時略有優勢。但此結論是在該地區無制約項目實施因素的前提下得到的。由于固定式可調光伏支架的后期維護費用較高，平單軸跟蹤光伏支架的故障率較高，綜合考慮環境和經濟效益后發現，甘肅省光伏發電項目可選擇固定式光伏支架。

表2 采用固定式光伏支架、固定式可調光伏支架及平單軸跟蹤光伏支架時單個光伏方陣的經濟性和技術性比較Table 2 Economic and technical comparison of fixed PV bracket，fixed adjustable PV bracket and flat single-axis PV tracking bracket used in single PV array

3 甘肅省光伏發電項目中光伏支架的設計

3.1 光伏支架的材料

光伏支架主要采用冷彎薄壁型鋼，鋼材的化學成分和物理力學性能均不能低于Q235B，相應材料均需附有廠家檢測報告或質量證明書，其物理力學性能指標需滿足相應的現行國家標準的規定，所有鋼結構均應經過熱鍍鋅防腐處理或覆鋁鋅防腐處理或采用耐候鋼工藝防腐，以滿足光伏支架25年的設計使用要求。目前新型的采用鍍鎂鋁鋅材料的光伏支架的使用率在逐漸提高，尤其是在氣候潮濕、降雨時間長的地區，采用鋼材料的光伏支架很容易被銹蝕，導致坍塌，會造成重大經濟損失；而采用鍍鎂鋁鋅材料的光伏支架不易被銹蝕，且其輕巧、易于運輸、施工安裝難度小，能大幅減小建設成本[7]。

3.2 固定式光伏支架的結構形式設計

固定式光伏支架的整體結構形式為三角形，從下往上分別由立柱、斜梁、斜撐、橫梁組成。該類光伏支架結構的材料采用冷彎薄壁型鋼，且需經過熱浸鋅處理。

光伏支架立柱底板與光伏支架基礎之間采用螺栓連接，光伏支架立柱與調節板之間采用螺栓連接，安裝時可以對立柱的高度進行調節。在光伏支架前、后立柱之間設置1根斜梁，并由三角件與立柱連接；在斜梁上設置4根橫梁，且橫梁與斜梁之間采用螺栓連接，橫梁與光伏組件之間由壓塊連接；為了確保光伏支架立柱與斜梁的結構穩定性，在斜梁與后立柱之間設置1根斜支撐。

在2個后立柱之間可設置2根橫梁，用于放置匯流箱和逆變器。

3.3 光伏支架的受力計算

進行光伏支架結構設計時，可根據NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規程》中的規定來計算承載能力極限狀態下的光伏支架結構和構件的強度、連接強度和穩定性，結構和構件的變形按照正常使用時的極限狀態來計算。光伏支架設計中考慮的主要荷載組合是：“永久荷載+風荷載+0.7倍雪荷載”和“永久荷載+地震荷載+0.2倍風荷載”。光伏支架結構和構件計算時的荷載分項系數的取值如表3所示。

光伏支架在各種荷載作用下應滿足NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規程》中對鋼結構強度、剛度及穩定性的要求。光伏支架結構和構件設計時的主要控制參數為：光伏支架結構的立柱柱頂位移不大于立柱柱高的1/60，光伏支架結構的撓度容許值為L/250(其中L為受彎構件的跨度)。

表3 光伏支架結構和構件計算時的荷載分項系數取值Table 3 Partial coefficient value of load during calculation of PV bracket structure and components

4 結論

本文通過對比各種光伏支架類型及其基礎形式的適用條件、施工難易程度、投資成本，并結合光伏支架材料等要素，從經濟性和施工便利性考慮，得出甘肅省建設光伏發電項目時適用于其地質條件及施工條件的光伏支架基礎形式及光伏支架形式，以期為甘肅省光伏發電項目的工程實踐提供技術指導。