武曉鵬

（山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用是調(diào)整能源發(fā)展戰(zhàn)略及電力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵舉措，隨著各地對(duì)環(huán)境污染、能源消耗問(wèn)題越來(lái)越重視，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)受到更多的重視。通過(guò)建設(shè)光伏電站，對(duì)能源結(jié)構(gòu)予以改善，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于大跨徑項(xiàng)目而言，采取傳統(tǒng)的剛性支架受多重因素影響，不僅靈活度不足且經(jīng)濟(jì)性不夠理想。柔性支架的出現(xiàn)很好地解決了這一問(wèn)題，借助于柔性組件為光伏板及活荷載起到支撐作用，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程概況

山西省某100MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目，地處山區(qū)，該廠區(qū)可方便接入電網(wǎng)，日照豐富且交通便利，滿足光伏電站的建設(shè)需求。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中充分利用山區(qū)荒坡，運(yùn)用預(yù)應(yīng)力鋼索結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)，將太陽(yáng)能光伏組件架空，實(shí)現(xiàn)380000m2的綜合利用，共計(jì)安裝185198塊540Wp單晶硅光伏電池組件，總裝機(jī)容量達(dá)100.00692 MWp。該項(xiàng)目通過(guò)52個(gè)光伏方陣單元逆變升壓至35kV電壓等級(jí)后接入新建的220kV升壓站，通過(guò)1回220kV線路接入當(dāng)?shù)?00kV升壓站，線路長(zhǎng)度約26km。

2 方案論證

光伏發(fā)電項(xiàng)目是借助于光伏組件將太陽(yáng)能向直流電能轉(zhuǎn)變，在并網(wǎng)型逆變器作用下將直流電能向和電網(wǎng)頻率相同且相位相同的交流電轉(zhuǎn)變，經(jīng)過(guò)低壓配電后向電網(wǎng)并入。

當(dāng)前索支架光伏發(fā)電項(xiàng)目雖已有成功案例，但裝機(jī)容量及規(guī)模如此大的在全國(guó)屈指可數(shù)。在本項(xiàng)目中光伏組件的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及預(yù)應(yīng)力索支架是技術(shù)難點(diǎn)。一方面支架的基礎(chǔ)形式需確保方陣整體的穩(wěn)定性，另一方面鋼索的預(yù)應(yīng)力大小及規(guī)格的計(jì)算需保證系統(tǒng)受風(fēng)振和雪載后與預(yù)加應(yīng)力的平衡性。

柔性光伏支架主要構(gòu)成包括預(yù)應(yīng)力索、端梁組件、立柱組件、光伏板固定組件以及鋼纜緊固件等，借助于連接件將光伏組件固定于預(yù)應(yīng)力鋼索上，隨著預(yù)應(yīng)力的施加使鋼索產(chǎn)生剛度，形成光伏組件的安裝支架。圖1為柔性光伏支架?？梢?jiàn)除支撐柱外不會(huì)占用其他空間，土地利用率高且鋼材使用量少，成本造價(jià)低，該技術(shù)方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性、可行性及環(huán)保性[1]。有效解決在各種地形不限于山地的大跨徑建設(shè)光伏項(xiàng)目的難題，實(shí)現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的融合。

圖1 柔性光伏支架

3 確定光伏柔性支架拉索受力和撓度容許值

3.1 拉索抗力分項(xiàng)系數(shù)

索結(jié)構(gòu)采取極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式計(jì)算，拉索的抗拉力設(shè)計(jì)值由式（1）進(jìn)行計(jì)算[2]。

式中：F——拉索的抗拉力設(shè)計(jì)值；Ftk——拉索極限抗拉力標(biāo)準(zhǔn)值（本項(xiàng)目?15.2熱鍍鋅鋼絞線取值為260.4 kN）；γR——拉索抗力分項(xiàng)系數(shù)，取值2.0。

結(jié)合既往工作實(shí)踐，抗力分項(xiàng)系數(shù)取值不合理將影響到承載索的使用壽命，應(yīng)盡可能拉緊承載索。試驗(yàn)結(jié)果表明，抗力分項(xiàng)系數(shù)在2～4時(shí)，不會(huì)對(duì)其耐久性產(chǎn)生影響，取值為2.1時(shí)，使用壽命最長(zhǎng)[3]，若取值在4.5以上則將大大縮短承載索壽命。因此，本項(xiàng)目中所選拉索抗力分項(xiàng)系數(shù)為2.0，能夠保證整體機(jī)構(gòu)的安全性及耐久性，經(jīng)計(jì)算拉索抗拉力最大設(shè)計(jì)值為130.2kN。

3.2 索結(jié)構(gòu)變形撓度容許值

與傳統(tǒng)的剛性支架不同，柔性支架對(duì)變形的要求不高，在相關(guān)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定，對(duì)于雙層索系屋蓋，若平面為矩形，應(yīng)以跨度的1/15～1/20作為承重索的垂度。考慮到工程索道和柔性支架在結(jié)構(gòu)上具有一定相似性，本項(xiàng)目對(duì)索道中撓度的相關(guān)規(guī)定予以參考，為避免索道浮動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)將撓度和跨距的比例控制在1/14～1/16[4]。結(jié)合工程實(shí)踐及理論研究，本項(xiàng)目以最大跨度的1/15作為撓度容許值，保證方案的經(jīng)濟(jì)性，在變形條件下不會(huì)對(duì)鋼絞線的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

4 確定光伏陣列

4.1 陰影分析

本項(xiàng)目于山地搭設(shè)光伏組件，陰影分析主要考慮列陣間的相互遮擋問(wèn)題，經(jīng)PVsyst軟件模型計(jì)算固定安裝系統(tǒng)的方陣傾角在15°～39°時(shí)，最接近于年總輻照量的最大值，相比較而言能夠布設(shè)更多的光伏板。通過(guò)系統(tǒng)分析發(fā)電量及光伏板安裝容量，將光伏組件的傾角確定為15°，組件最低點(diǎn)距離地面2m，留有充足的運(yùn)維空間，且不會(huì)導(dǎo)致下方空間光線不足的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)牧光互補(bǔ)。

太陽(yáng)能電池組件縱向一塊布置，多晶硅太陽(yáng)電池組件尺寸為1134mm×2279mm，經(jīng)計(jì)算確定太陽(yáng)電池組件陣列間距為600mm，經(jīng)PVsyst軟件仿真模擬，豎向排布組件前后排凈距為600mm時(shí)，全年在9∶00—15∶00時(shí)均無(wú)遮擋[5]。綜合分析比較，本項(xiàng)目實(shí)施豎排布置，南北方向和東西方向組件的凈距分別為600mm和100mm。圖2為柔性支架組件安裝效果。

圖2 柔性支架組件安裝效果

4.2 光伏組串

為實(shí)現(xiàn)逆變器轉(zhuǎn)換效率最大，需依照逆變器參數(shù)串并聯(lián)光伏組件，考慮到逆變器最大功率跟蹤電壓范圍限制著并聯(lián)支路的光伏組件串聯(lián)數(shù)量，需保證光伏組串的最佳工作點(diǎn)電壓小于最大功率跟蹤電壓，同時(shí)逆變器最大輸入功率也將限制總的并聯(lián)支路數(shù)。因此，串聯(lián)組件數(shù)在18～22塊滿足參數(shù)要求，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際為便于施工，每個(gè)串聯(lián)電路以18塊組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 柔性支架施工技術(shù)流程在光伏發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

5.1 施工前準(zhǔn)備工作

施工前準(zhǔn)備工作包括以下3點(diǎn)：①檢查支架及零部件，在支架安裝前以20%的比例對(duì)支架進(jìn)行抽檢，以施工設(shè)計(jì)圖紙為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支架及零部件的尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查外觀是否有形變、倒刺或毛邊問(wèn)題。依據(jù)施工設(shè)計(jì)要求對(duì)所有零部件防腐處理，確保在污水池環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。對(duì)于運(yùn)輸途中出現(xiàn)的涂層破損，于現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)涂。②檢查光伏支架連接件質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在螺栓緊固后確保漏出的螺栓長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求，即漏出長(zhǎng)度在20～30mm。③技術(shù)交底，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員對(duì)柔性支架安裝工藝、施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、施工工期規(guī)劃以及施工組織設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行全面的技術(shù)交底。

5.2 復(fù)測(cè)支架基礎(chǔ)

依據(jù)設(shè)計(jì)要求檢查支架基礎(chǔ)平面位置、幾何尺寸、標(biāo)高、軸線等，確?；緟?shù)滿足安裝需求，若支架基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)文件中的要求存在偏差，則先基礎(chǔ)糾偏，確保合格后再進(jìn)行后續(xù)的安裝施工，以保證安裝施工質(zhì)量。

5.3 立柱、箱梁及交叉梁安裝

利用吊車進(jìn)行立柱吊運(yùn)安裝，在吊裝前規(guī)劃吊車的行車路線及作業(yè)平臺(tái)，確保吊車入場(chǎng)后順利支設(shè)立柱，進(jìn)場(chǎng)后由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理人員檢查吊車的作業(yè)環(huán)境、鋼絲繩、吊具等，確保滿足吊運(yùn)要求后再進(jìn)行吊裝作業(yè)。吊運(yùn)過(guò)程中由主吊和副吊分別就立柱的兩端固定，吊裝到位后，將起吊點(diǎn)設(shè)置在立柱的重心以上位置，于地面提前設(shè)置木墊塊，立柱根部著地避免柱腳接觸地面而損壞。起吊立柱垂直至置頂位置后予以安裝。在固定安裝后，對(duì)立柱垂直、水平等參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)、調(diào)整，確保立柱安裝偏差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)。柱腳螺栓設(shè)置為雙螺母并利用扳手將螺母鎖緊，固定立柱后吊裝頂部箱梁，和柱頂找正后加固鎖死。東西方向最外側(cè)部分實(shí)施桁架結(jié)構(gòu)，在橫梁和立柱焊接好后進(jìn)行整體吊裝，完成吊裝后通過(guò)螺栓連接斜梁和主體架構(gòu)并予以調(diào)整。上下兩層設(shè)置交叉支撐，在層間設(shè)置橫撐，以焊接和鉸鏈方式連接交叉梁和橫撐，完成安裝后調(diào)整整體結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5.4 安裝地錨

本項(xiàng)目所用地錨為混凝土灌注樁，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求選取?100×6無(wú)縫鋼管，根據(jù)事先放線定位利用打樁機(jī)打孔并灌注2.5m深度，灌注樁施工完畢后，在地錨和箱梁間使用轉(zhuǎn)接件和鋼纜，依照設(shè)計(jì)拉力要求設(shè)置成鋼架網(wǎng)，緊固處理鋼纜轉(zhuǎn)接件。

5.5 安裝鋼纜

本項(xiàng)目鋼纜安裝包括東西走向的主鋼纜和南北走向的輔助鋼纜，東西方向?yàn)樯侠拖吕麂摾|，安裝時(shí)依據(jù)施工圖紙要求利用UT連接器和箱梁連接，將鋼纜的一端固定于指定位置后，利用牽引繩將鋼纜在對(duì)端做好拉緊與固定，并對(duì)張力予以調(diào)整。南北方向共設(shè)計(jì)4根輔助鋼纜，利用UT連接器和箱式立柱做好連接固定，支架安裝完成后對(duì)其進(jìn)行檢查調(diào)整，安裝基本要求如表1所示。

表1 支架安裝檢查調(diào)整

5.6 安裝組件

①支架體系經(jīng)質(zhì)量驗(yàn)收表面無(wú)銹蝕且連接穩(wěn)固牢靠后安裝組件。②安裝組件前在立柱位置搭設(shè)腳手架用以放置貨物，利用吊車將組件運(yùn)送至平臺(tái)后，由2根鋼絲繩于組件安裝位置設(shè)置寬度在1.5～5m的空中安裝通道。在主鋼纜、支架橫梁連接處利用環(huán)形緊固卡具將鋼絲繩鎖死，腳手板鋪設(shè)于鋼絲繩上并以U型鎖具進(jìn)行固定，在通道兩側(cè)布設(shè)水平扶手繩并和立面防護(hù)網(wǎng)做好連接固定。完成空中安裝通道的鋪設(shè)后，下方鋪滿垂直距離為0.5m的水平防護(hù)網(wǎng)，將安裝通道南北相鄰兩個(gè)立柱的距離作為水平防護(hù)網(wǎng)寬度，東西向在相鄰安裝通道的鋼絲繩上做好固定，對(duì)攔網(wǎng)搭接處做好綁扎。③組件安裝以東西向主鋼纜為安裝依據(jù)，保證電池板上下尺寸相等，南北向邊框整齊。安裝左右邊框時(shí)，利用不銹鋼夾具依照上文設(shè)計(jì)間距固定安裝，確保同排內(nèi)組件連接盒的位置一致，為接線施工提供便利，組件安裝完畢避免其與鋼纜接觸。④光伏組串，每個(gè)組串串聯(lián)18塊光伏板，串聯(lián)后的光伏組串分別對(duì)接相應(yīng)的匯流箱。⑤光伏組件接地，依據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，對(duì)組件和組件之間、組件和主體架構(gòu)之間利用6mm2線進(jìn)行連接并設(shè)置墊片。

5.7 電氣接入施工

本項(xiàng)目所產(chǎn)生的電能接入新建220kV升壓站輸出至電網(wǎng)。

系統(tǒng)中光伏并網(wǎng)設(shè)置斷路器予以保護(hù)，同時(shí)設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)，特殊需求下能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)和電網(wǎng)相分離，保證光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全，在并網(wǎng)一側(cè)安裝電力檢測(cè)和顯示儀表等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于大跨徑區(qū)域建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)用光伏柔性支架結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的剛性支架具有土地占用率低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、布置靈活、成本低等優(yōu)勢(shì)。本文以山西省某光伏發(fā)電項(xiàng)目為背景，經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算光伏柔性支架的拉索抗拉分項(xiàng)系數(shù)為2.0，變形撓度容許值為1/15跨度，每個(gè)串聯(lián)電路以18塊組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。落實(shí)柔性支架安裝施工流程，支架整體穩(wěn)定性良好，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能源的充分運(yùn)用，具有較好的綜合效益。