抗震設(shè)計在地面光伏電站施工中的應(yīng)用

摘 要：【目的】探討地面光伏電站抗震設(shè)計，通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計改善（包括光伏組件和支架系統(tǒng)的抗震性能優(yōu)化），提高地面光伏電站在地震等自然災(zāi)害中的安全性與穩(wěn)定性。【方法】采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理和有限元分析，對光伏電站的光伏組件和支架系統(tǒng)進(jìn)行模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過改進(jìn)設(shè)計參數(shù)和選材，并結(jié)合實地測試和歷史地震數(shù)據(jù)，評估不同設(shè)計方案的抗震效果。【結(jié)果】研究結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的支架系統(tǒng)和特定材料能顯著提高光伏電站的抗震能力，減少因地震影響而造成的結(jié)構(gòu)損傷。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)的光伏電站能有效吸收和分散地震能量，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。【結(jié)論】該抗震設(shè)計方法和策略的應(yīng)用，能顯著提升地面光伏電站的安全性和穩(wěn)定性。未來，將進(jìn)一步探索更高效的材料和技術(shù)，以適應(yīng)更嚴(yán)苛的環(huán)境條件和更高的安全要求。同時，充分考慮在光伏電站規(guī)劃和建設(shè)初期就納入抗震設(shè)計，以優(yōu)化整個項目的性能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計；地面光伏；電站施工

中圖分類號：TM615" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）04-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.003

Application of Seismic Design in the Construction of Ground

Photovoltaic Power Station

ZHANG Kaimo

（Jiangsu Fangyang Energy Technology Co.， Ltd.， Lianyungang 222000，China）

Abstract：[Purposes] This paper discusses the seismic design of ground photovoltaic power station. Through the structural analysis and design improvement of the system （ including the seismic performance optimization of photovoltaic modules and support systems ）， the safety and stability of ground photovoltaic power station in natural disasters such as earthquakes are improved. [Methods] In this study， the principle of structural dynamics and the finite element analysis technology were adopted to simulate and optimize the structure of the photovoltaic modules and bracket systems of the photovoltaic power station. The seismic effects of different design schemes is evaluated by improving design parameters and material selection， combining field tests and historical seismic data.[Findings] The results show that the optimized bracket system and specific materials can significantly improve the seismic capacity of photovoltaic power stations and reduce the structural damage during the earthquake impact. Experimental data show that the improved design scheme can effectively absorb and disperse seismic energy and improve the stability of the overall structure.[Conclusions] Through the application of seismic design methods and strategies in this study， the safety and stability of ground photovoltaic power stations can be significantly improved. Future research will further explore more efficient materials and technologies to adapt to more stringent environmental conditions and higher safety requirements， and fully consider the seismic design in the early stage of photovoltaic power station planning and construction to optimize the performance and economic benefits of the whole project.

Keywords：seismic design; ground photovoltaic; power station construction

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可再生能源的廣泛應(yīng)用，地面光伏電站因其資源利用率高、環(huán)境友好而得到廣泛應(yīng)用。然而，光伏電站的建設(shè)也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是在地震多發(fā)區(qū)域，光伏組件和支架系統(tǒng)的安全性應(yīng)進(jìn)一步增強。光伏電站通常由光伏組件、支架系統(tǒng)、基礎(chǔ)及電氣設(shè)備構(gòu)成，任何單一部分的脆弱性都可能影響系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和運行效率。抗震設(shè)計通過靜力分析與動力分析相結(jié)合，有效評估和提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。在設(shè)計過程中，要遵循國家及地區(qū)的抗震設(shè)計規(guī)范，以確保在地震作用下，光伏電站仍能保持功能性和安全性，避免出現(xiàn)重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

1 地面光伏電站結(jié)構(gòu)特點

1.1 光伏組件類型與結(jié)構(gòu)

光伏組件是地面光伏電站的核心組成部分，其類型與結(jié)構(gòu)將直接影響系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性。常見的光伏組件類型主要分為單晶硅組件、多晶硅組件和薄膜組件。單晶硅組件的光電轉(zhuǎn)換效率通常為15%～22%，材料純度高，具有優(yōu)良的電性能，但適用空間有限，主要應(yīng)用在對發(fā)電效率要求較高的場合。多晶硅組件的光電轉(zhuǎn)換效率通常為13%～18%，盡管其效率略低于單晶硅，但在生產(chǎn)成本和資源利用率上更具優(yōu)勢，適合大規(guī)模光伏電站的應(yīng)用。薄膜組件因其輕質(zhì)和靈活性，被廣泛應(yīng)用于建筑光伏一體化（BIPV）中，其光電轉(zhuǎn)換效率通常為10%～12%。光伏組件結(jié)構(gòu)通常由光伏電池片、玻璃層、背板及封裝材料組成，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要確保良好的氣密性和防水性，以應(yīng)對不同氣候條件下的挑戰(zhàn)。以單晶硅組件為例，常見的尺寸為1.65 m×1 m×0.04 m，重量為18～22 kg，厚度控制在40 mm內(nèi)。另外，光伏組件的機械強度也至關(guān)重要，需要經(jīng)過嚴(yán)格的風(fēng)壓、雪壓及抗震測試，以確保在極端天氣條件下的安全性和可靠性。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《地面用晶體硅光伏組件 設(shè)計鑒定和定型》（GB/T 9535-1998），光伏組件要承受至少2 400 Pa的正負(fù)風(fēng)壓，以滿足高效運行的需求。

1.2 支架系統(tǒng)設(shè)計與選型

支架系統(tǒng)在地面光伏電站施工中起著關(guān)鍵性作用，其設(shè)計與選型的好壞直接關(guān)系到光伏組件的安全性、穩(wěn)定性和發(fā)電效率。支架系統(tǒng)分為固定支架和跟蹤支架兩類。固定支架適用于平坦地形，通常采用鋁合金或熱鍍鋅鋼材，設(shè)計高度一般為0.8～1.5 m，傾斜角度為15°～30°，以優(yōu)化光照接收。跟蹤支架則能根據(jù)太陽位置自動調(diào)節(jié)角度，提升光電轉(zhuǎn)換效率。但其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要滿足更高的風(fēng)荷載和雪荷載要求，通常采用鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計風(fēng)速要考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件，通常不低于35 m/s。支架系統(tǒng)設(shè)計與選型的相關(guān)參數(shù)見表1。

在支架系統(tǒng)選型過程中，要綜合考慮地理環(huán)境、氣候條件、地質(zhì)特性及光伏電站規(guī)模。同時，支架系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計同樣重要，通過對地基承載力進(jìn)行計算，選擇合適的基礎(chǔ)類型，如混凝土基礎(chǔ)或螺旋樁基礎(chǔ)，確保支架系統(tǒng)在地震及其他極端天氣條件下的穩(wěn)定性［1］。通過合理的設(shè)計與選型，支架系統(tǒng)不僅能有效支撐光伏組件，還能提升整個光伏電站的抗震能力，確保長期穩(wěn)定運行。

2 抗震設(shè)計的規(guī)范與方法

2.1 抗震設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

在地面光伏電站的抗震設(shè)計中，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)是確保結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的基礎(chǔ)。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）為所有建筑物提供抗震設(shè)計的基本原則和方法，其規(guī)定了抗震設(shè)計的基本要求、荷載組合及結(jié)構(gòu)的強度與剛度標(biāo)準(zhǔn)；《光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50394—2014）針對光伏電站的設(shè)計要求，指出了光伏組件及支架系統(tǒng)的抗震設(shè)計應(yīng)符合的等級要求，通常為二級或三級，以確保在設(shè)定地震荷載下光伏組件不發(fā)生脫落或損壞。地方性抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也在實際設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，根據(jù)特定區(qū)域的地震歷史數(shù)據(jù)和土壤特性，調(diào)整設(shè)計參數(shù)。

2.2 抗震設(shè)計的常用方法

2.2.1 靜力分析。在地面光伏電站的抗震設(shè)計中，靜力分析作為一種常用的方法，主要用于評估在地震作用下結(jié)構(gòu)的承載能力與變形響應(yīng)［2］。靜力分析是通過施加等效靜載荷，模擬地震對光伏支架及組件的影響，確保其在地震荷載下的安全性。靜力分析可將地震影響簡化為一種水平力，具體表示見式（1）。

[F=m?a] （1）

式中：[F]為作用在光伏組件上的等效水平力；[m]為光伏系統(tǒng)的總質(zhì)量；[a]為設(shè)計地震加速度，通常根據(jù)地區(qū)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)而定。

以某地的設(shè)計地震加速度為0.2g（g為重力加速度）為例，若光伏電站的總質(zhì)量為50 t，則作用在光伏組件上的等效水平力見式（2）。

[F=50 000 kg?0.2?9.81 m/s2=98 100 N] （2）

靜力分析的結(jié)果將為光伏支架的設(shè)計提供重要依據(jù)，設(shè)計人員要確保支架系統(tǒng)在該水平力作用下不發(fā)生屈曲、剪切或其他形式的破壞。通過引入等效靜載荷，充分考慮光伏組件的受力狀態(tài)和變形情況，并對材料的強度和剛度進(jìn)行驗證，以確保整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性［3］。此外，靜力分析還可用于評估支架基礎(chǔ)的承載能力，確保基礎(chǔ)設(shè)計符合當(dāng)?shù)赝临|(zhì)條件，避免因基礎(chǔ)不穩(wěn)而導(dǎo)致整體傾覆。通過系統(tǒng)的靜力分析，能在設(shè)計階段識別潛在的抗震風(fēng)險，從而采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計優(yōu)化措施，提高光伏電站在地震條件下的安全性和可靠性。

2.2.2 動力分析。在地面光伏電站的抗震設(shè)計中，動力分析作為一種重要的方法，能評估結(jié)構(gòu)在地震波作用下的動態(tài)響應(yīng)。通過對光伏支架系統(tǒng)及組件進(jìn)行動力特性分析，能精確掌握結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)及振動特性，進(jìn)而為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。動力分析是利用土地震動的時程數(shù)據(jù)，通過有限元法建立模型，進(jìn)行時域或頻域分析，以模擬地震波對光伏電站結(jié)構(gòu)的影響。具體表示見式（3）。

[F（t）=m?a（t）] （3）

式中：[F（t）]為時間[t]時刻作用于結(jié)構(gòu)的動力荷載；[m]為系統(tǒng)的總質(zhì)量；[a（t）]為時間[t]時刻的加速度。

假設(shè)某光伏電站的總質(zhì)量為80 t，考慮某地震動的加速度峰值為0.3g（約等于3.0 m/s2），則在地震作用下，最大動力荷載見式（4）。

[F（t）=80 000 kg?3.0 m/s2=240 000 N] （4）

通過動力分析，設(shè)計人員可評估支架的振動響應(yīng)和變形情況，并與結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要求進(jìn)行對比，確保在地震作用下，光伏組件不發(fā)生脫落、變形或破壞。另外，在分析過程中還要考慮土地震動的頻譜特性，以確定結(jié)構(gòu)的共振頻率，從而避免在地震發(fā)生時出現(xiàn)共振現(xiàn)象［4］。通過對動力響應(yīng)的深入研究，可識別和減小結(jié)構(gòu)潛在的弱點，優(yōu)化支架和基礎(chǔ)設(shè)計，提高整體抗震能力。通過合理的動力分析，不僅能確保光伏電站在地震條件下的安全性，還能提升其在長期運行狀態(tài)下的穩(wěn)定性，為可再生能源的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3 抗震設(shè)計在光伏電站施工中的具體應(yīng)用

在某地面光伏電站施工過程中，為應(yīng)對該地區(qū)頻繁地震，對系統(tǒng)進(jìn)行抗震設(shè)計。該項目位于震中區(qū)域，設(shè)計抗震烈度為8度，設(shè)定最大地震加速度為0.4g（約為4.0 m/s2）。為確保光伏支架的穩(wěn)定性，采用高強度熱鍍鋅鋼材，抗拉強度為400 MPa，以滿足在地震荷載下的安全要求。支架基礎(chǔ)設(shè)計為混凝土基礎(chǔ)，經(jīng)過地質(zhì)勘察評估，基礎(chǔ)承載力確定為200 kPa，基礎(chǔ)尺寸設(shè)定為1.5 m× 1.5 m×0.6 m，以增強抗震性能。光伏組件的安裝角度調(diào)整為20°，最大風(fēng)荷載設(shè)計為0.6 kN/m2，確保其在強風(fēng)條件下的安全性。通過有限元法對項目進(jìn)行動態(tài)分析，并評估在最大地震荷載下的位移和加速度，支架系統(tǒng)的最大位移為20 mm，在允許范圍內(nèi)。支架系統(tǒng)經(jīng)過抗震試驗，在地震模擬下，未出現(xiàn)屈曲或材料破壞現(xiàn)象。該項目的成功實施不僅增強了光伏電站的抗震能力，也為未來類似項目的抗震設(shè)計提供寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支持。同時，證明了系統(tǒng)化的抗震設(shè)計在地面光伏電站施工中的重要性與可行性。

在地面光伏電站的抗震設(shè)計中，支架基礎(chǔ)的設(shè)計至關(guān)重要，其合理性將直接影響光伏組件的安全性和穩(wěn)定性。針對某光伏電站的支架基礎(chǔ)設(shè)計，采用混凝土基礎(chǔ)，確保基礎(chǔ)的承載能力與抗震性能。基礎(chǔ)的尺寸為1.5 m × 1.5 m × 0.6 m，經(jīng)過地質(zhì)勘察，土壤承載力確定為200 kPa［5］。在抗震設(shè)計中，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010），基礎(chǔ)設(shè)計要考慮最大水平地震荷載、豎向荷載及相應(yīng)的安全系數(shù)。支架基礎(chǔ)抗震設(shè)計的相關(guān)參數(shù)見表2。

在設(shè)計過程中，支架基礎(chǔ)要滿足抗震設(shè)計的強度和剛度要求，以確保其在地震作用下不會發(fā)生嚴(yán)重的變形或破壞。基礎(chǔ)與地基的連接方式要確保傳力的有效性，常采用嵌入式連接或錨固設(shè)計，以提高整體穩(wěn)定性。通過科學(xué)的抗震設(shè)計，能有效提高光伏電站支架基礎(chǔ)在地震中的安全性，確保光伏系統(tǒng)在極端氣候條件下的長期穩(wěn)定運行，為可再生能源的可持續(xù)發(fā)展提供堅實保障。

4 結(jié)語

通過對相關(guān)案例進(jìn)行分析，識別出最佳的設(shè)計方案和施工實踐，從而為未來的光伏電站項目提供寶貴的參考。探討抗震設(shè)計在光伏電站施工中的應(yīng)用，不僅具有理論意義，還能為行業(yè)發(fā)展提供實證支持，推動抗震技術(shù)在光伏電站中的普及與應(yīng)用。本研究通過有效的抗震設(shè)計，可實現(xiàn)光伏電站在極端氣候條件下的安全、穩(wěn)定運行，提升光伏電站在自然災(zāi)害中的韌性，為可再生能源的持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)，確保在全球能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。

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