农业大棚光伏结构体系的优化设计研究

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 ■ 王泽国 王磊 吉春明

0 引言

太阳能是目前可再生能源利用的热点之一[1-2]，近年来，利用太阳能发电的光伏电站得到了快速发展。随着国家对耕地保护越来越重视，且土地资源越来越紧张，以往传统的大型地面光伏电站的发展遇到了瓶颈，建设变得较为困难。而“农光互补”模式将光伏电站与农业种植相结合，实现了“上可发电、下可种植”的效果，在近年得到了快速发展。

“农光互补”电站不仅节约了建设地面电站的土地，同时还可以改变光伏电站前期投资大、回收周期长的问题，电站下方的农业大棚可出租，摊薄电站建设成本投入，具有显著的经济和社会效益。

本文主要讨论了一种“农光互补”电站的结构体系，其主要包含光伏支架、农业大棚及下部的基础部分，通过对这几部分进行优化设计，降低支架用钢量，大棚形式简单实用、下部基础部分受力合理，显著降低了建设成本。

1 工程概况

1.1 地质情况

某光伏电站工程位于徐州市丰县境内，场址区原为一般农用地，地形较平坦，地貌单元主要为冲积平原。根据项目勘测报告，光伏方阵区的地基土主要由第四系全新统冲积成因的粉土和黏土夹粉土组成。土层岩土设计参数如表1所示。

表1 光伏方阵区土层岩土设计参数表

1.2 光伏支架荷载取值和计算结果

根据GB 50797-2012《光伏发电设计规范》中第6.8.7条的规定，光伏支架的设计使用年限为25年；然后根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》附录E.3.4条的换算公式可知，本地区25年一遇基本风压为0.31 kN/m2，25年一遇基本雪压为0.31 kN/m2，地面粗糙度为B类。

由PKPM计算模型可计算得出，支架前立柱底部最大弯矩为3.1 kN/m，最大剪力为3.7 kN，最大压力为10 kN，最大拔力为2 kN；后立柱底部最大弯矩为9.4 kN/m，最大剪力为6.5 kN，最大压力为13 kN，最大拔力为5 kN。

2 光伏系统设计方案

2.1 常规设计方案

根据之前光伏项目的设计经验，本工程采用前、后立柱支架结构形式，斜梁通过前、后立柱支撑上部光伏组件及其他荷载，每排光伏组件采用两根檩条支撑，支架结构基础采用混凝土独立基础或桩基础，大棚拱形杆通过支撑在支架后立柱的横担上来维持稳定性。采用独立基础的常规设计方案图如图1所示。

图1 常规光伏系统设计方案(单位：mm)

为保证光伏组件下方农业大棚种植的需要，要求大棚顶部距地面净高≥3 m，因此使得支架前、后立柱较高；为使支架体系稳定并节约钢材，支架前、后立柱底部需为刚接。此方案中单个大棚支架用钢量为1846.4 kg，各主材占比如表2所示，材料均为Q235B级钢。

表2 常规设计方案各主材占比表

2.2 设计方案优化

为降低本项目单位kW的造价、节约钢材，并提高工程施工效率，本文采用以下措施对原有光伏系统的设计方案进行优化设计。

2.2.1 檩条

由表2可知，檩条在总重量中占41.50%，比重较大；6排光伏组件需要12根檩条，单根檩条仅支撑1/2排光伏组件，未能有效发挥钢材性能。

将檩条位置进行微调，使单根檩条两侧均可以支撑光伏组件，这样6排光伏组件仅需要7根檩条即可支撑。檩条与光伏组件螺栓连接处如图2所示。

图2 组件托件(单位：mm)

由于檩条一般采用C型檩条，为支撑两侧光伏组件，需采用在檩条侧面中心增加托件的方式，使檩条和托件上侧均可通过螺栓连接组件安装孔，充分利用了钢材的抗弯性能。单个大棚的檩条由12根优化至7根，钢材由Q235B级改为Q345B级，而根据目前的市场价格，钢材由Q235B级改为Q345B级，价格增加不多。

2.2.2 斜梁

在原设计方案中，斜梁为受弯构件。由于斜梁水平距离达4.8 m，跨度较大，因此，为支撑上部光伏组件及抗风压、雪压，斜梁的尺寸较大。

通过在前、后立柱上部增加隅撑，可将斜梁由单跨变为3跨，有效降低斜梁的最大弯矩，进而减小设计截面大小。

优化后，单个大棚支架用钢量为1391 kg，各主材占比如表3所示。其中，檩条为Q345B级钢，其他为Q235B级钢。

表3 优化设计方案中各主材占比表

2.2.3 光伏支架基础

目前，“光伏农业大棚” 基础主要采用桩基础或独立基础。

预制管桩基础由于存在“挤土效应”，一般不易施工，且打桩产生的噪音也会影响附近居民。独立基础适用于地面平坦的“农光互补”电站[3]，是一种较为可行的基础方案；但独立基础一般需要满足抗弯和抗倾覆要求，因此其截面一般较大，占用了大量的光伏阵列下方的可利用面积，不利于下方农业种植的需求。

本文优化设计方案采用一种下沉式基础结构，基础为T型结构，包含下部的灌注式基础和上部的支撑平台。上部平台通过钢筋笼套在下部钢筋笼上，顶部预埋4根地脚螺栓，与支架立柱端板螺栓连接。该基础剖面图及俯视图如图3所示。

经比较，单个下沉式基础的钢筋混凝土方量为0.175 m3，相比同等技术要求的独立基础的0.31 m3降低了43.5%，具有显著的经济效益。

为进一步验证下沉式基础的安全性，对总长为1.9 m的3根下沉式基础进行了单桩竖向抗拔试验和水平静载试验。试验结果表明，基础竖向抗拔承载力特征值为20 kN，水平临界荷载统计值为26 kN，均大于支架前、后立柱的最大拔力和剪力。

图3 基础剖面图及俯视图

2.3 优化前后两种设计方案对比

优化后的设计方案采用7根檩条支撑上部横向6排光伏组件，采用隅撑将斜梁由单跨变为3跨，支架结构基础采用下沉式基础替代原有的独立基础或桩基础。优化后设计方案如图4所示，表4为优化前后的光伏结构各主材重量及对比。

图4 优化后光伏系统设计方案(单位：mm)

表4 单个大棚支架用钢量对比表

由表4可知，经过优化设计，光伏支架总重量相比原方案降低了24.66%，节约了大量钢材，降低了投资成本；且优化后光伏支架系统现场无焊接工作量，全部采用螺栓连接，系统受力合理，施工简便。

3 结语

本文通过对“农光互补”光伏结构体系进行设计优化，大幅降低了光伏系统用钢量和混凝土方量，具有显著的经济效益；优化后的结构体系受力合理，施工简便，为今后农业光伏的发展创造了条件，具有一定的参考价值。