橇裝光伏淺基礎在大慶油田的應用與分析

李瑩

中國石油集團電能有限公司電力研究設計院

大慶油田“十四五”新能源規劃中，要大規模開發光伏項目，自消納部分的光伏項目建設主要利用油田自有土地。油田內閑置土地大部分位于中區，且呈碎片化分布。大慶油田經過60 多年的開發建設，具有地面油井密度大、地下管線錯綜復雜的特點，因此在光伏建設中存在地下管線調查不清、常規基礎深度與已建管線沖突破壞管線的情況，也存在光伏電站建成后，油田管線穿孔維修或新建管線穿越光伏場地時，光伏設施拆建困難等問題。為解決油田井場地下管線及電纜鋪設錯綜復雜、探明困難，樁基施工對地下管網、電纜損壞等問題，進行了橇裝光伏淺基礎研究，實現光伏組件和橇裝支架一體化集成。

1 橇裝光伏淺基礎方案

光伏組件近年發展迅速，功率由250 Wp 到現階段的600 Wp 等。本次研究采用目前市場上較成熟的550 Wp 光伏組件為研究基礎，550 Wp 光伏組件參數見表1（不同廠家參數會略有不同）。

表1 組件參數Tab.1 Component parameters

1.1 逆變器

配套光伏組件用逆變器主要分為組串式、集中式兩種。組串式逆變器容量為5 kW 至320 kW 之間，集中式逆變器容量為500 kW 至3 125 kW 之間。本次方案設計主要研究對象為大慶油田自消納式分布式光伏電站，容量較小，主要探討逆變器與光伏組件的組合關系，因此采用組串式逆變器為研究基礎。組串式逆變器主要技術參數包含：最大輸入電壓、MPPT 電壓范圍、最大輸入電流、MPPT數量等參數。由于規格較多，可以依據具體工程選擇具體的逆變器規格型號。

根據目前市場常用的組串式逆變器類型主要分為1 100 V和1 500 V兩大系統，因此本方案采用這兩個參數為計算組合的基礎。

1.2 光伏組件方案設計

對光伏組件進行串聯方案設計[1]。根據GB 50797—2012 《光伏發電站設計規范》光伏方陣組件串聯數計算公式，匹配計算取值和公式。

1.2.1 電池組件計算參數

冬季光伏組件工作溫度并非當地環境歷年最低溫度，冬季環境最低溫度一般出現在凌晨3～4 時，此時并未有太陽光出現，因此光伏組件工作時最低溫度取極限值-30 ℃；夏季電池組件工作溫度按當地環境最高溫度，并附加組件自身發熱，考慮極端情況取70 ℃[2]。

1.2.2 電池組件串并聯組合計算

電池組件串并聯組合計算公式為

式中：N為光伏組件串聯數，N取整；Vdcmax為逆變器允許最大直流輸入電壓，V；Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值，V；Voc為電池組件開路電壓，V；Vpm為電池組件工作電壓，V；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數；K'v為光伏組件的工作電壓溫度系數；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t'為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃。

經計算1 500 V 系統選擇串聯26 塊，1 100 V系統選擇串聯18 塊。故本方案采用2×6 和2×10兩種模型進行橇裝光伏淺基礎研究。

1.3 主要技術數據

（1）抗震設防烈度為6°，設計基本地震加速度值為0.05 g。

（2）風荷載：光伏支架基礎設計時按50 年重現期確定基本風壓，取0.55 kN/m2；地面光伏支架設計時，按25年重現期確定基本風壓，取0.47 kN/m2。地面粗糙類別為B類。

（3）雪荷載：光伏支架基礎設計時按50 年重現期確定基本風壓，取0.30 kN/m2；光伏支架雪荷載按25年重現期確定基本雪壓，取0.26 kN/m2。

（4）按照NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規程》 中3.1.2 條，光伏支架結構設計工作年限為25年。

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（5）按照GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中4.0.3條，規劃建設容量＜30 MWp的光伏電站，防洪標準（重現期）≥30年一遇最高水位。

（6）按照NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規程》中3.1.3 條，光伏支架結構安全等級為三級，按照GB 50007—2011 《建筑地基基礎設計規范》第3.0.1條，地基基礎設計等級為丙級。

1.4 結構方案

1.4.1 結構計算與支架形式

結構計算采用PKPMV1.4.1 作為主要計算軟件進行結構計算與結果復核。

光伏組件排列采用豎向雙排布置，固定傾角42°[3]，光伏組件最低點距地面1 m。為減少風壓，組件與組件之間留有20 mm空隙，每榀支架由斜梁、立柱、斜撐組成[4]。在支架斜梁之間，按照光伏組件的安裝寬度設置檁條，用于支撐光伏組件的重量。支架、檁條及組件均采用螺栓連接[5]。

1.4.2 荷載作用組合

光伏支架結構設計時，按承載能力極限狀態計算結構和結構構件的強度、穩定性以及連接強度；按正常使用極限狀態計算結構和結構構件的變形。

由于光伏板自重較小，且光伏板坡度較大，板面積雪分布系數較小，通過計算支架設計時逆風荷載起控制作用，所在地區為6度區，丁類構筑物可不進行地震作用計算。

表2 支架荷載分類Tab.2 Support load classification

表3 支架荷載標準組合Tab.3 Support load standard combination

表4 支架荷載基本組合Tab.4 Support load basic combination

1.4.3 淺基礎光伏支架結構計算

光伏支架主要由立柱、斜梁、斜撐、檁條及檁托、柱間支撐、預制混凝土基礎、拼接螺栓及地腳螺栓及其他安裝構件拼裝而成。支架由前、后2 個立柱以及斜撐支起斜梁、檁條，由斜梁、檁條托起光伏電池板，前后2個支柱與基礎之間通過螺栓連接來實現。

光伏支架的主要構件，如立柱、斜梁、斜撐均為薄壁方鋼管結構，采用抱箍、可調支座實現各構件位置的固定和調整。支架總成圖見圖1。

圖1 橇裝支架總成示意圖Fig.1 Schematic diagram of skid-mounted support assembly

1.4.4 光伏基礎設計

預制混凝土獨立基礎適用于地下管線敷設較密集或敷設管線的走向埋深不明，平整度較好的場地。形式為錐形混凝土支墩，埋深0.5 m，下設厚砂墊層。頂面尺寸250 mm×250 mm，通過螺栓與光伏支架連接。2×6和2×10兩種橇裝光伏模型見圖2和圖3。

圖2 2×6橇裝光伏模型Fig.2 2×6 skid-mounted photovoltaic model

圖3 2×10橇裝光伏模型Fig.3 2×10 skid-mounted photovoltaic model

2 工程實例分析

以某作業區分布式井間光伏電站為例，該區域地勢平坦，但是井網密度大，地下管線錯綜復雜，打樁風險性較高，地下管網如圖4所示。若利用此區域建設光伏電站，橇裝光伏淺基礎是最好的選擇。

圖4 光伏站址區地下管網Fig.4 Schematic diagram of underground pipeline network in the photovoltaic station site area

橇裝光伏主要由光伏組件、支架、淺基礎構成。本項目中光伏組件采用某組件廠的550 Wp 單晶光伏組件、某逆變器廠的300 kW 組串式逆變器和100 kW組串式逆變器，裝機容量18 MWp。

采用100 kW和300 kW兩種組串式逆變器，逆變器主要參數見表5。

表5 逆變器主要參數Tab.5 Inverter main parameters

本工程共采用了2×6模型和2×10模型兩種組合方式。2×6 模型為2 榀支架，2×10 模型為3 榀支架。基礎采用預制混凝土獨立基礎（圖5）。

圖5 工程完工實景Fig.5 Real scene pictures after the completion of the project

根據目前光伏組件常用的基礎型式，以本項目的裝機規模為基礎進行經濟對比分析（表6）。

表6 橇裝光伏與常規管樁經濟對比分析Tab.6 Economic comparison and analysis of skid-mounted photovoltaic and conventional pipe piles

經以上對比分析，采用橇裝光伏基礎預計節省工程費45萬元，節省占地面積14×104m3。因本工程位于井網密集區，采用橇裝光伏淺基礎可減少管線探查費用175萬元。若采用橇裝光伏預計可節省投資共248萬元。

3 結論

橇裝光伏淺基礎價格與5 m 管樁基礎價格相近，因此針對不同的安裝地點及地勢等因素，建議如下：對于光伏電站現場地勢較低洼、有水泡子等地形，推薦采用樁基礎方案；對于地勢較平坦、無低洼水泡子等，推薦采用橇裝光伏淺基礎方案，不影響地下埋地管線，有利于后期遷建。

按照股份公司三步走戰略和油田“一穩三增”的總體部署，新能源工作在“十四五”到“十五五”期間將持續保持增長。股份公司和油田公司正在積極推進油、氣、新能源三項業務快速發展。橇裝光伏淺基礎在油田的推廣應用，可以有效減少管線、線纜的破壞，降低用地成本，提高光伏裝機容量，具有良好的經濟效益，對提高油田開發盈利能力、提質增效、高質量發展具有重要的意義[6]。