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        山地光伏支架結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2025-03-12 00:00:00汪俊虎張凡陳松易金剛陳默然
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        摘 要:針對(duì)山地光伏復(fù)雜地形和地質(zhì)條件下光伏支架基礎(chǔ)工程量大、支架調(diào)平難度大、檁條預(yù)打孔誤差大、安裝效率低和施工難度大等問題,本研究對(duì)山地光伏支架結(jié)構(gòu)部分關(guān)鍵問題進(jìn)行剖析,提出了山地光伏支架基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新優(yōu)化方案,該方案在山地光伏中能夠有效適應(yīng)山地復(fù)雜地形和提高施工效率,降低施工成本和縮短施工周期。同時(shí)可為后續(xù)山地光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)提供一定的參考。

        關(guān)鍵詞:山地光伏;光伏支架;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        中圖分類號(hào):TK 51" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        目前,隨著中國(guó)光伏電站的大規(guī)模和集中化建設(shè),具有良好開發(fā)潛力的平坦地區(qū)資源逐漸減少。因此,具有較高太陽(yáng)輻射度的復(fù)雜山地地區(qū)逐漸成為光伏電站開發(fā)的選擇[1]。在云貴川渝等西南地區(qū),光伏的主要擬建場(chǎng)址為山地,山地呈現(xiàn)的主要特點(diǎn)為地表起伏不平、微地形條件復(fù)雜、可用于陣列布置的場(chǎng)地分布不規(guī)則且比較分散、地表土地利用率不高、坡度變化不規(guī)則、坡向各異、局部有沖溝、地質(zhì)條件復(fù)雜多變等[2-3],上述特點(diǎn)是導(dǎo)致山地光伏建設(shè)難度大的直接原因。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)處于白熱化的環(huán)境下,山地光伏的質(zhì)量及成本控制已成為重要關(guān)注點(diǎn)。同時(shí),光伏電站的建設(shè)也需要考慮環(huán)境和生態(tài)的影響,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

        1 山地光伏支架結(jié)構(gòu)部分關(guān)鍵問題剖析

        對(duì)山地光伏支架的結(jié)構(gòu)來說,從支架基礎(chǔ)到上部支架支撐系統(tǒng),在現(xiàn)場(chǎng)施工階段都存在較多現(xiàn)實(shí)問題。主要有以下3個(gè)方面。1)由于山地地形和地質(zhì)條件較為復(fù)雜,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)往往采用包絡(luò)形式,因此在保障結(jié)構(gòu)安全的情況下,要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的可操作性,基礎(chǔ)優(yōu)化和創(chuàng)新非常重要。2)由于山地局部微地形具有復(fù)雜性,很難使同一組串柱頂在同一斜面上,而立柱是在工廠批量生產(chǎn)的,因此當(dāng)支架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝時(shí)需要進(jìn)行人為調(diào)平,調(diào)平方式主要是以基礎(chǔ)頂進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)置立柱調(diào)節(jié)機(jī)制。3)現(xiàn)場(chǎng)光伏支架的檁條與斜梁之間的連接形式通常是采用螺栓連接,目前,組件與檁條之間有螺栓連接及壓塊連接兩種形式,但不論哪種形式,都需要在檁條上預(yù)先開孔,由于下料及現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差,因此當(dāng)支架安裝時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)孔情況,一定程度上增加了二次加工工作量,影響了安裝效率。另外單立柱支架檁條及支撐體系用鋼量占比在65%左右,占比較大,因此在檁條和支撐體系上進(jìn)行方案優(yōu)化,能夠有效減少支架安裝二次加工量,提高安裝效率,同時(shí)可一定程度減少用鋼量,節(jié)約項(xiàng)目投資成本。

        2 支架基礎(chǔ)優(yōu)化方案探索

        針對(duì)光伏支架基礎(chǔ)方案優(yōu)化方案,經(jīng)深入研究,在巖質(zhì)條件較好的點(diǎn)位,可以采用一種新型的杯口基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),如圖1所示。在巖質(zhì)條件好的地方,與灌注樁相比,該新型基礎(chǔ)形式可以減少基巖開挖量,有效提高柱底抗拔抗剪承載力,從而節(jié)約綜合造價(jià)。

        針對(duì)地表覆土厚度比較大,土質(zhì)條件欠佳,預(yù)制樁承載力不足的情況,本研究提出一種提高樁基水平承載力的結(jié)構(gòu),如圖2所示。圖3、圖4是一種提高樁基豎向承載力(抗拔、抗壓)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用該結(jié)構(gòu)時(shí),將樁體打入地面,栓釘通過限角度銷栓轉(zhuǎn)動(dòng)與樁體下面的側(cè)表面連接,且限角度銷栓將上栓釘?shù)幕顒?dòng)角度θ限制在0°~90°,使樁體打入地面時(shí),栓釘與樁體角度變小,且栓釘指向與樁體運(yùn)動(dòng)速度相反,將樁體打入地面時(shí),地面對(duì)樁體的阻力較小,而從地面往外拔樁體時(shí),上栓釘?shù)幕顒?dòng)角度θ>0°,因此上栓釘能夠突出樁體側(cè)表面,而插入泥土中,當(dāng)樁體向上運(yùn)動(dòng)時(shí),上栓釘與泥土間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),泥土的阻力使栓釘繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)與栓釘轉(zhuǎn)軸上部的樁體中心軸線的夾角變大,使栓釘朝樁體運(yùn)動(dòng)方向的投影面積變大。泥土對(duì)樁基的阻力增加,可以起到抗拔作用,該結(jié)構(gòu)在不增加樁長(zhǎng)或樁徑的情況下,提高了樁體抗拔能力,使樁體運(yùn)輸更方便,耗材更少和制造難度更低,降低了制造成本。實(shí)施簡(jiǎn)單,承載力提升幅度較大,在一定程度上可節(jié)約綜合成本??箟簶端ㄡ斉c抗拔樁栓釘方向相反,提高抗壓承載能力原理與抗拔樁相同。

        3 支架上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案探索

        3.1 立柱高度調(diào)節(jié)

        在山地光伏支架施工中,固定支架中的同一組串單元、支架高度的同平面調(diào)平操作過程非常困難,也是山地光伏施工現(xiàn)場(chǎng)中問題比較大的一個(gè)環(huán)節(jié)。使組件與檁條之間的螺栓孔精準(zhǔn)對(duì)接對(duì)成本優(yōu)化也有很大影響。

        針對(duì)支架立柱高度調(diào)平問題,在預(yù)制樁的應(yīng)用場(chǎng)景,課題小組提出一種支架立柱可調(diào)結(jié)構(gòu),如圖5所示。圖5主要描述了一種山地光伏管樁與立柱連接調(diào)節(jié)方案,原理是將鋼管放置在堵頭上,然后將鋼管固定連接在預(yù)制管樁上,根據(jù)需求現(xiàn)場(chǎng)確定鋼管長(zhǎng)度,用不同的鋼管長(zhǎng)度來彌補(bǔ)地形起伏造成的基礎(chǔ)標(biāo)高不一的情況,達(dá)到樁基頂標(biāo)高低成本、靈活和輕松調(diào)節(jié)的目的。

        此外,課題小組針對(duì)支架柱底可調(diào)的問題進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換,提出另一種支架立柱可調(diào)結(jié)構(gòu)形式,具體如圖6所示。圖6的立柱可調(diào)方案描述了通過支架在基礎(chǔ)混凝土中預(yù)埋方鋼管、“C”形鋼或者圓鋼管等其他截面埋件,采用“大小套”的方式拼接支架立柱與預(yù)埋件,并通過預(yù)設(shè)的螺栓孔位上下調(diào)節(jié),達(dá)到支架立柱在一定高度內(nèi)調(diào)平的目的。在光伏電站的建設(shè)中,該方案可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié),降低調(diào)節(jié)成本,減少時(shí)間,同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,有效減少了山地光伏施工因地勢(shì)不平整帶來的問題。這種連接方式無須焊接,因此在施工過程中不會(huì)受到地形、氣候、溫度或天氣變化等不利因素的影響,最大程度提高了施工效率。此外,這種連接方式還降低了傳統(tǒng)支架安裝過程中的復(fù)雜性、減少了潛在的錯(cuò)誤,同時(shí),模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使施工過程更加規(guī)范化,從而保證整個(gè)光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

        3.2 檁條與斜梁之間的可調(diào)連接

        針對(duì)支架檁條與斜梁之間的可調(diào)連接,課題小組深入研究提出3種新型連接形式,具體如圖7所示。

        圖7方案是通過外加連接件連接斜梁與檁條,達(dá)到不受常規(guī)對(duì)準(zhǔn)預(yù)留螺栓孔的連接方式限制的目的,從而避免螺栓孔無法精準(zhǔn)對(duì)位而需要現(xiàn)場(chǎng)開孔的情況。這個(gè)方案安裝簡(jiǎn)便,不僅可以提高檁條與斜梁安裝安裝效率,還可以達(dá)到檁條在斜梁上一定范圍內(nèi)可調(diào)整連接位置的目的,大大提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝的靈活性。

        3.3 檁條與組件之間的可調(diào)連接

        針對(duì)支架檁條與組件之間的可調(diào)連接,課題小組深入研究提出一種新型連接形式,如圖8所示。

        圖8的思路及原理與圖7相似,采用外加扣件等連接件,將組件扣緊抱牢在檁條上,避免現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的檁條與組件螺栓孔位無法精準(zhǔn)對(duì)接,而需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)檁條進(jìn)行精確開孔的情況,這種連接方式現(xiàn)場(chǎng)靈活性和可靠性高,可以大大降低檁條的加工難度及現(xiàn)場(chǎng)的安裝難度。

        3.4 檁條檁間支撐體系

        圖9是一種優(yōu)化后的檁條支撐體系,在常規(guī)的拉條加撐桿的支撐形式下,直接優(yōu)化為單一的薄壁鋼管,在上述單立柱及雙立柱有限元結(jié)構(gòu)分析的相同輸入條件下,在檁間支撐方面,單兆瓦可以減少用鋼量0.832t。在保障結(jié)構(gòu)安全和滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,該支撐體系不僅可以簡(jiǎn)化檁條支撐體系安裝的步驟,還可以減少工程的用鋼量,從而降低工程建設(shè)成本。

        3.5 檁條下翼緣隅撐約束結(jié)構(gòu)

        檁條下翼緣隅撐約束結(jié)構(gòu)如圖10所示。

        由圖10可知,利用組件邊框與檁條下翼緣進(jìn)行間接約束,該約束結(jié)構(gòu)能夠有效防止檁條下翼緣受力較大時(shí)發(fā)生失穩(wěn)而影響整個(gè)光伏支架的結(jié)構(gòu)安全性,在單立柱和雙立柱有限元結(jié)構(gòu)分析的相同輸入條件下,在檁間支撐方面,與常規(guī)做法相比,單兆瓦可以減少用鋼量1.202t。

        4 結(jié)語

        聯(lián)合應(yīng)用固定支架基礎(chǔ)、支架立柱豎向可調(diào)創(chuàng)新方案、支架檁條與斜梁連接位置斜向可調(diào)、組件與檁條連接位置斜向可調(diào)創(chuàng)新方案及檁間支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新做法等,不僅可以有效降低山地光伏支架基礎(chǔ)的成本,還可以提高組件安裝效率,降低檁條現(xiàn)場(chǎng)開孔返工率,并減少整體用鋼量,對(duì)節(jié)約成本、縮短工期具有積極意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1]肖運(yùn)啟,張美玲,郭治昌,等.山地光伏電站固定式組件安裝角度優(yōu)化方法[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2020,41(5):329-335.

        [2]于銀花.植筋錨桿基礎(chǔ)在山地光伏電站中的應(yīng)用[J].低碳世界,2024,14(1):46-48.

        [3]王斯偉,丁大奇,張偉,等.腹板預(yù)開孔可調(diào)節(jié)山地光伏支架系統(tǒng)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2017,50(增刊1):352-355.

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