龍?jiān)?北京)太陽(yáng)能技術(shù)有限公司 ■ 王雨

0 引言

目前，光伏地面電站建設(shè)地點(diǎn)多在荒漠、戈壁，以及一些條件相對(duì)較好的屋頂、山地、漁塘、灘涂等地方；而坡度起伏較大、植被較高的山地，地質(zhì)條件較差的灘涂，水位深、跨度大的漁塘，以及一些大型污水處理廠(chǎng)等地方，由于受限于傳統(tǒng)支架安裝方式的要求而不能被充分利用。因此，改變傳統(tǒng)支架的安裝方式，充分利用地形條件較差而光資源較好的山地、漁塘等地方，是推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的有效途徑。

1 技術(shù)原理及方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)原理

柔性支架采用兩固定點(diǎn)之間張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的方式，兩固定點(diǎn)采用鋼性基礎(chǔ)提供反力，可實(shí)現(xiàn)10～30 m大間距。這種設(shè)計(jì)可規(guī)避山地起伏、植被較高等不利因素，僅在合適的部位設(shè)置基礎(chǔ)點(diǎn)并張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)；同時(shí)在水深較深的漁塘也可以在保持水位不動(dòng)的條件下，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)及柔性支架的施工。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

柔性支架方案是把傳統(tǒng)鋼性支架方案的檁條改為鋼絞線(xiàn)的方式，其特點(diǎn)是鋼絞線(xiàn)采用先線(xiàn)法提供預(yù)拉力，組件安裝后在不同工況受力條件下允許鋼絞線(xiàn)有一定的變形(本文按撓度容許值L/30論述)，從而實(shí)現(xiàn)10～30 m的大跨度支架，可滿(mǎn)足不同地形的需要。由于鋼絞線(xiàn)張拉預(yù)應(yīng)力的存在，柱頂均會(huì)產(chǎn)生較大的水平拉力，導(dǎo)致基礎(chǔ)底部彎矩較大，因此一般設(shè)計(jì)采用在柱頂用斜拉或支撐的方案平衡預(yù)拉力產(chǎn)生的水平力，以滿(mǎn)足柱底抗傾覆的受力要求。

根據(jù)柔性支架的整體設(shè)計(jì)方案及受力特點(diǎn)，基礎(chǔ)形式可采用圖1、圖2兩種形式。

1)基礎(chǔ)方案1：采用兩個(gè)基礎(chǔ)，一個(gè)是鋼立柱基礎(chǔ)，主要提供柔性支架豎向力的反力；另需配備一個(gè)斜拉索基礎(chǔ)，承擔(dān)鋼絞線(xiàn)產(chǎn)生的水平力，并承擔(dān)向上的拉力及向右的拉力，斜拉索基礎(chǔ)屬于配重式。

2)基礎(chǔ)方案2：采用兩個(gè)基礎(chǔ)，一個(gè)是鋼立柱基礎(chǔ)，主要提供柔性支架豎向力的反力；另需配備斜撐柱基礎(chǔ)，承擔(dān)鋼絞線(xiàn)產(chǎn)生的拉力，且鋼絞線(xiàn)對(duì)斜撐柱基礎(chǔ)產(chǎn)生向下壓力及向右的推力。斜撐柱基礎(chǔ)底面積相對(duì)基礎(chǔ)方案1略小。

圖1 基礎(chǔ)方案1

圖2 基礎(chǔ)方案2

1.3 支架設(shè)計(jì)方案

根據(jù)光伏組件的排布方式，柔性支架方案可分為橫排和豎排兩種(見(jiàn)圖3、圖4)；根據(jù)跨長(zhǎng)可采用單跨和多跨的方案，但因場(chǎng)地條件限制，單跨往往不能滿(mǎn)足需要，則需要采用二跨、三跨，甚至更多，中間支座可采用搖擺柱方式有效控制鋼絞線(xiàn)的撓度。

支架與端柱及中間柱的連接均要求采用鉸接固定方式，以減小應(yīng)力集中；同時(shí)鋼絞線(xiàn)張拉安裝方便，便于縮短工期、節(jié)省造價(jià)。

1.4 支架適用范圍分析

由于柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，因此其適用范圍更廣，包括：

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圖3 組件橫排方案

圖4 組件豎排方案

1)適用山地坡度、起伏較大的地區(qū)，同時(shí)不受植被高低等因素的影響；

2)適用于漁塘、灘涂等地區(qū)，突破傳統(tǒng)支架受限于水深、區(qū)域大小等條件，通過(guò)柔性支架10～30 m的大跨度方案優(yōu)勢(shì)，以及中間可另設(shè)支撐柱等方案，解決漁塘、灘涂等地區(qū)傳統(tǒng)支架無(wú)法施工及安裝的難點(diǎn)；

3)適用于污水廠(chǎng)水池頂部，因污水廠(chǎng)水處理工藝的要求，大體積水池內(nèi)部無(wú)法安裝支架基礎(chǔ)，柔性支架可巧妙規(guī)避這一難點(diǎn)，使污水廠(chǎng)水池建設(shè)光伏電站成為可能。

2 柔性支架關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

2.1 研究?jī)?nèi)容及方法

光伏組件柔性支架系統(tǒng)是一種新型的支撐體系，通過(guò)將光伏組件固定在張緊于兩柱間的鋼絞線(xiàn)上的方式來(lái)簡(jiǎn)化組件支架系統(tǒng)。這是一種新型結(jié)構(gòu)，在行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有充足的設(shè)計(jì)依據(jù)；且該系統(tǒng)利用張緊的鋼絞線(xiàn)的軸向拉力抵抗組件重力、雪荷載和風(fēng)荷載等橫向荷載，屬于幾何非線(xiàn)性受力體系，受力與變形特征復(fù)雜。

為了合理設(shè)計(jì)柔性支架系統(tǒng)，保證其在不同工況下能夠安全服役，同時(shí)也為其后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供支撐，有必要研究不同工況下支架系統(tǒng)的受力與變形規(guī)律。

受力計(jì)算時(shí)可采用理論分析與數(shù)值模擬兩種方法，兩種方法互相驗(yàn)證、互相補(bǔ)充。

2.2 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式[2]

柔性支架的設(shè)計(jì)需考慮自重、風(fēng)壓、雪壓不同荷載組合下的工況受力。

對(duì)于主要受力結(jié)構(gòu)，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk為：

式中，βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

對(duì)公式中的參數(shù)取值重點(diǎn)說(shuō)明：

1)計(jì)算基本風(fēng)壓時(shí)，因空氣密度越大，風(fēng)壓也越大，為安全起見(jiàn)，取-20 ℃時(shí)的空氣密度值，即1.396 kg/m3(20 ℃時(shí)為1.205 kg/m3)。

2)風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)按實(shí)際高度考慮，如組件高度為10 m情況下，根據(jù)GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，A類(lèi)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.28，B類(lèi)為1.00，C類(lèi)為0.65，D類(lèi)為0.51。

3)風(fēng)振系數(shù)：組件為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生風(fēng)振的影響。如組件高度為10 m時(shí)，根據(jù)GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，則不同地面粗糙度時(shí)的風(fēng)振系數(shù)分別為：A類(lèi)1.60、B類(lèi)1.70、C類(lèi)2.05、D類(lèi)2.40。

4)風(fēng)荷載體型系數(shù)是指風(fēng)作用在構(gòu)筑物表面一定面積范圍內(nèi)所引起的平均壓力(或吸力)與來(lái)流風(fēng)的速度壓的比值，它主要與構(gòu)筑物的體型和尺度有關(guān)，也與周?chē)h(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。

2.3 荷載組合

根據(jù)柔性支架安全情況，荷載組合可分為僅考慮結(jié)構(gòu)自重、考慮自重與雪荷載共同作用、考慮自重與風(fēng)荷載共同作用下的3種情況。這3種受力情況下荷載計(jì)算與組合形式不同，受力分析時(shí)，對(duì)不同的荷載效應(yīng)進(jìn)行組合，形成不同工況。

同時(shí)，環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致鋼絞線(xiàn)膨脹或收縮，從而造成預(yù)應(yīng)力的變化，并引起鋼絞線(xiàn)位移增大或縮小。因此，一方面應(yīng)保證在溫度上升達(dá)到設(shè)計(jì)最高值時(shí)，鋼絞線(xiàn)位移仍然滿(mǎn)足剛度條件；另一方面保證在溫度降低到最低值時(shí)，鋼絞線(xiàn)應(yīng)力不超限。

2.4 張拉工序[3]

1)應(yīng)先張拉前(下)鋼絞線(xiàn)，后張拉后(上)鋼絞線(xiàn)。張拉后鋼絞線(xiàn)時(shí)對(duì)前鋼絞線(xiàn)的影響較小，而張拉前鋼絞線(xiàn)會(huì)造成后鋼絞線(xiàn)較多的應(yīng)力損失。

2)若將前鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力直接張拉至期望值，則由于后鋼絞線(xiàn)未張緊，端柱會(huì)產(chǎn)生較大扭矩，發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。這不僅威脅結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)會(huì)造成前鋼絞線(xiàn)連接處在張拉過(guò)程中位移增大，影響預(yù)應(yīng)力控制精度。為了避免端柱截面產(chǎn)生較大扭矩，可進(jìn)行多遍張拉。例如，第1遍張拉將前鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉至0.2倍預(yù)應(yīng)力，再將后鋼絞線(xiàn)張拉至0.2倍預(yù)應(yīng)力；第2遍張拉前鋼絞線(xiàn)至0.4倍預(yù)應(yīng)力，再將后鋼絞線(xiàn)張拉至0.4倍預(yù)應(yīng)力；如此循環(huán)直到達(dá)到期望預(yù)應(yīng)力值。

表1 不同工況下的荷載系數(shù)

3)若搖擺柱對(duì)鋼絞線(xiàn)軸向變形無(wú)約束，鋼絞線(xiàn)可單邊張拉；若搖擺柱約束鋼絞線(xiàn)軸向位移，鋼絞線(xiàn)應(yīng)左右對(duì)稱(chēng)張拉，以避免張拉過(guò)程造成搖擺柱側(cè)向受力。

2.5 方案設(shè)計(jì)建議

1)因短跨度方案與長(zhǎng)跨度方案相同條件下所需要的鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力相同，對(duì)端柱及中柱的作用力相同，因此設(shè)計(jì)中除根據(jù)實(shí)際情況考慮跨度外，優(yōu)先選擇長(zhǎng)跨度方案。

2)中柱為搖擺柱時(shí)，計(jì)算表明搖擺柱與鋼絞線(xiàn)在迎面來(lái)風(fēng)時(shí)側(cè)向轉(zhuǎn)運(yùn)明顯，與鋼絞線(xiàn)組成幾何可變體系，不穩(wěn)定，因此應(yīng)從構(gòu)造上從中柱頂端提供有效水平力，避免中柱抗彎受力。

3)計(jì)算表明，鋼絞線(xiàn)直接錨固于柱體上時(shí)，鋼絞線(xiàn)在柱體連接處彎曲變形明顯，鋼絞線(xiàn)與端柱相接處應(yīng)設(shè)為鉸接，避免鋼絞線(xiàn)局部彎曲過(guò)大，強(qiáng)度失效。

3 地面電站采用柔性支架與普通支架對(duì)比

3.1 適用范圍對(duì)比

表2為柔性支架與普通支架適用范圍的對(duì)比。

3.2 施工安裝及檢修維護(hù)

3.2.1 施工安裝

采用柔性支架的光伏電站與常規(guī)地面光伏電站的施工不同。1)柔性支架基礎(chǔ)一般采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，立柱采用焊接H型鋼柱，獨(dú)立基礎(chǔ)與鋼柱均比常規(guī)地面支架的基礎(chǔ)及立柱要大很多。2)受柔性支架跨度較大且離地高度較高的影響，一般采用安全繩懸掛施工人員進(jìn)行安裝的方式，相比地面施工方式增加了施工難度及不安全因素。3) 鋼絞線(xiàn)的張拉技術(shù)含量較大，需要專(zhuān)業(yè)的施工單位才可以完成。

表2 柔性支架與普通支架適用范圍對(duì)比

3.2.2 檢修維護(hù)

采用柔性支架的光伏電站檢修及維護(hù)相對(duì)常規(guī)地面電站難度要大。常規(guī)地面電站常采用風(fēng)吹或水洗的方式，而因柔性支架離地高度較高，因此一般只能采用水沖的方式；同時(shí)，對(duì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的組件，更換難度也偏大。因此，在組件采購(gòu)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格質(zhì)量檢測(cè)及管理，避免后期因質(zhì)量原因產(chǎn)生的組件更換。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)光伏發(fā)電項(xiàng)目柔性支架尚處于探索階段，實(shí)際案例為數(shù)不多，已建成項(xiàng)目以污水處理廠(chǎng)為主，尚未出現(xiàn)用于山地、水塘、漁塘等地的柔性支架。由于目前西北地區(qū)荒漠、戈壁用地緊張，在條件良好的山地越來(lái)越少的局面下，傳統(tǒng)支架的適用局限性越來(lái)越嚴(yán)重，而柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，在光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路上更具有推動(dòng)意義。

[1] GB 50797-2012, 光伏發(fā)電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 5009-2012, 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] GB/T 5224-2014, 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線(xiàn)[S].