甘肃省光伏发电工程中光伏支架及其基础形式的探讨

李欣哲

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000)

0 引言

面对全球能源结构过度依赖化石燃料及化石燃料对环境污染日益严重的现状，可再生能源的开发利用项目日益增多。近年来，太阳能作为一种无污染、获取方便的可再生能源已得到了极大程度地开发利用[1-2]。甘肃省地处我国西北地区，其地域辽阔、地势海拔高，具有年晴天天数较多、日照时间长、大气透明度好等气候环境特点，太阳能资源颇为丰富，年最大太阳辐射量可达6000 MJ/m2，全省年太阳能资源理论储量达241×1012MJ，开发利用潜力巨大。同时，《甘肃省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》指出，要把经济发展转变到依靠科技进步、资源节约、环境友好的轨道上来。因此，甘肃省可以充分利用其地理及气候资源优势，大力推广光伏发电项目在该地区的应用[3]。

由于甘肃省的地貌多为沙漠、山地和未开发的荒地，因此，在这种复杂地貌下建设光伏发电项目时，光伏支架及其基础形式的选择尤为重要。本文对光伏发电项目中几种常用的光伏支架及其基础形式进行了介绍，结合甘肃省的地理资源情况对不同光伏支架及其基础形式的施工难度、施工成本，以及光伏支架的受力特点、材料及制造工艺等方面进行了对比分析，并选择出最适合的光伏支架方案，以期可以为甘肃省光伏发电项目的设计和施工提供参考。

1 光伏支架基础形式的选择分析

1.1 光伏支架基础形式的优、缺点及地形地貌适宜性

甘肃省的地形地貌复杂多样，而在该地区建设的光伏发电项目多位于山地、沙漠和戈壁地区，因此这些光伏发电项目采用的光伏支架基础形式主要以钻孔灌注桩基础、独立柱扩展基础、螺旋钢管桩基础、钢筋混凝土条形基础，以及近年来在农光互补光伏发电项目中广泛应用的PHC预制桩基础为主[4-6]。各种光伏支架基础形式的实物图及剖面图如图1～图5所示。

图1 钻孔灌注桩基础的实物图和剖面图Fig.1 Photo and section drawing of bored cast-in-place pile foundation

图2 独立柱扩展基础的平面图和剖面图(单位：mm)Fig.2 Plane drawing and section drawing of independent column spread foundation(Unit：mm)

图3 螺旋钢管桩基础的实物图和剖面图Fig.3 Photo and section drawing of spiral steel pipe pile foundation

图4 钢筋混凝土条形基础的实物图和剖面图Fig.4 Photo and section drawing of reinforced concrete strip foundation

图5 PHC预制桩基础的实物图和剖面图Fig.5 Photo and section drawing of PHC precast pile foundation

根据实践经验，结合光伏支架基础形式的特点，对不同地形地貌特征下各种光伏支架基础形式的优、缺点及其适用性进行总结，具体如表1所示。

1.2 光伏支架基础形式的经济性与技术性比较

从地质条件来看，钻孔灌注桩基础和螺旋钢管桩基础适用于一般填土、粘性土、粉土、砂土、砂砾石层等。独立柱扩展基础和钢筋混凝土条形基础适用于卵石层或桩基无法成孔的地层等。PHC预制桩基础适用于黏性土层。

表1 各种光伏支架基础形式的优、缺点及地形地貌适宜性Table 1 Advantages, disadvantages, terrain and landform suitability of various PV bracket foundation forms

1)经济性方面：在各类光伏支架基础形式均适用的同一地质条件下，相较于其他类型的光伏支架基础形式，桩类基础的价格较低，在甘肃省应用更具有经济性，因此，本文选择了钻孔灌注桩基础和螺旋钢管桩基础。其中，钻孔灌注桩基础的价格比螺旋钢管桩基础的价格略低。

2)施工便利性方面：若光伏发电项目的场址是在山地地区且地形复杂，那么光伏支架基础采用钻孔灌注桩基础时，机械设备的施工难度会较大。

若采用螺旋钢管桩基础，施工时螺旋钢管桩与光伏支架立柱螺栓连接高度的调节会更为灵活，施工也更为方便。对于建在山顶处的光伏方阵，可以通过调节螺旋钢管桩与光伏支架立柱螺栓连接高度及增加螺旋钢管桩的长度来满足光伏组件的设计标高；对于建在向南山坡上的光伏方阵，可以通过调节螺旋钢管桩与光伏支架立柱螺栓连接高度，或增加光伏支架立柱的长度来满足光伏组件的设计标高。

2 光伏支架形式的选择分析

2.1 光伏支架形式比较

通常，光伏发电项目中采用的光伏跟踪器有被动式或电驱动式2种。其中，被动式的光伏跟踪器适用于规模较小的光伏发电系统；电驱动式的光伏跟踪器适用于规模较大的光伏发电系统，其在国外已有大规模的应用，国内这两年也进行了大量的应用示范，技术已基本成熟。根据光伏支架是否配置了光伏跟踪器，可将光伏支架分为未配置光伏跟踪器的固定式光伏支架和配置了光伏跟踪器的光伏跟踪支架两大类。其中，跟踪光伏支架可分为单轴跟踪光伏支架、双轴跟踪光伏支架。下文将根据甘肃省光伏发电项目中光伏支架形式的使用情况进行详细分析。

2.1.1 固定式光伏支架

在前后排光伏阵列保持最优间距且互不遮挡的前提下，根据计算得到的最佳太阳入射角度设置固定式光伏支架的倾斜角度。固定式光伏支架可分为可调与不可调这2种。目前固定式光伏支架的安装技术较为成熟、成本相对较低、应用较为广泛。而且此类光伏支架的生产制造工艺简单、快捷，安装也极为方便，可大幅缩短施工工期，给光伏发电项目带来了很好的经济效益。

固定式可调光伏支架可根据夏季、冬季这2个季节以不同倾斜角度来布置，将光伏支架倾斜角度调节到该季节可使光伏阵列接收到的太阳辐照量最高时对应的角度，以此来提高光伏阵列的发电量。但固定式可调光伏支架的缺点是调整的工作量大，操作要求高，且后期的维护费用较高。

2.1.2 单轴跟踪光伏支架

单轴跟踪光伏支架可以分为平单轴跟踪光伏支架和斜单轴跟踪光伏支架这2种。单轴跟踪光伏支架的原理是通过1根旋转轴使光伏阵列的正面始终可以跟踪太阳，旋转轴可实现任意方向的旋转，但旋转方向通常为东西横向旋转或平行于地轴方向旋转。旋转轴贯通单个光伏阵列。单轴跟踪光伏支架对太阳光线进行跟踪时，只能依据太阳方位角或太阳高度角其中一种作为目标进行跟踪。

2.1.3 双轴跟踪光伏支架

双轴跟踪光伏支架是通过2根旋转轴时刻跟踪太阳光线，保持光伏阵列正面始终与太阳直射光线垂直。该类型光伏支架可同时以太阳方位角和太阳高度角为目标进行跟踪。

2.2 不同光伏支架形式的经济性和技术性对比

对不同光伏支架形式的经济性和技术性进行对比分析。

根据光伏发电项目所在地的地质条件，不同跟踪光伏支架对光伏发电项目发电量的影响存在差异，投资成本也会不同，因为跟踪光伏支架在提高光伏发电项目整体发电量的同时，还会显著增加光伏发电系统的建设成本(其中，双轴跟踪光伏支架＞斜单轴跟踪光伏支架＞平单轴跟踪光伏支架)；且跟踪光伏支架的耗电量较大。

与采用固定式不可调光伏支架的光伏发电系统相比，采用固定式可调光伏支架的光伏发电系统的建设成本增加约2%，发电量增加3%；采用斜单轴跟踪光伏支架的光伏发电系统的建设成本增加约26%，发电量增加15%；采用双轴跟踪光伏支架的光伏发电系统的建设成本增加约43%，发电量增加20%。

鉴于甘肃省使用较为广泛的3种光伏支架形式，以装机容量为3 MW的单个光伏方阵为例，对其分别采用固定式光伏支架、固定式可调光伏支架及平单轴跟踪光伏支架时的经济性和技术性进行比较，具体如表2所示。

从表2可以看出，固定式可调光伏支架系在甘肃省某光伏发电项目中应用时略有优势。但此结论是在该地区无制约项目实施因素的前提下得到的。由于固定式可调光伏支架的后期维护费用较高，平单轴跟踪光伏支架的故障率较高，综合考虑环境和经济效益后发现，甘肃省光伏发电项目可选择固定式光伏支架。

表2 采用固定式光伏支架、固定式可调光伏支架及平单轴跟踪光伏支架时单个光伏方阵的经济性和技术性比较Table 2 Economic and technical comparison of fixed PV bracket，fixed adjustable PV bracket and flat single-axis PV tracking bracket used in single PV array

3 甘肃省光伏发电项目中光伏支架的设计

3.1 光伏支架的材料

光伏支架主要采用冷弯薄壁型钢，钢材的化学成分和物理力学性能均不能低于Q235B，相应材料均需附有厂家检测报告或质量证明书，其物理力学性能指标需满足相应的现行国家标准的规定，所有钢结构均应经过热镀锌防腐处理或覆铝锌防腐处理或采用耐候钢工艺防腐，以满足光伏支架25年的设计使用要求。目前新型的采用镀镁铝锌材料的光伏支架的使用率在逐渐提高，尤其是在气候潮湿、降雨时间长的地区，采用钢材料的光伏支架很容易被锈蚀，导致坍塌，会造成重大经济损失；而采用镀镁铝锌材料的光伏支架不易被锈蚀，且其轻巧、易于运输、施工安装难度小，能大幅减小建设成本[7]。

3.2 固定式光伏支架的结构形式设计

固定式光伏支架的整体结构形式为三角形，从下往上分别由立柱、斜梁、斜撑、横梁组成。该类光伏支架结构的材料采用冷弯薄壁型钢，且需经过热浸锌处理。

光伏支架立柱底板与光伏支架基础之间采用螺栓连接，光伏支架立柱与调节板之间采用螺栓连接，安装时可以对立柱的高度进行调节。在光伏支架前、后立柱之间设置1根斜梁，并由三角件与立柱连接；在斜梁上设置4根横梁，且横梁与斜梁之间采用螺栓连接，横梁与光伏组件之间由压块连接；为了确保光伏支架立柱与斜梁的结构稳定性，在斜梁与后立柱之间设置1根斜支撑。

在2个后立柱之间可设置2根横梁，用于放置汇流箱和逆变器。

3.3 光伏支架的受力计算

进行光伏支架结构设计时，可根据NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》中的规定来计算承载能力极限状态下的光伏支架结构和构件的强度、连接强度和稳定性，结构和构件的变形按照正常使用时的极限状态来计算。光伏支架设计中考虑的主要荷载组合是：“永久荷载+风荷载+0.7倍雪荷载”和“永久荷载+地震荷载+0.2倍风荷载”。光伏支架结构和构件计算时的荷载分项系数的取值如表3所示。

光伏支架在各种荷载作用下应满足NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》中对钢结构强度、刚度及稳定性的要求。光伏支架结构和构件设计时的主要控制参数为：光伏支架结构的立柱柱顶位移不大于立柱柱高的1/60，光伏支架结构的挠度容许值为L/250(其中L为受弯构件的跨度)。

表3 光伏支架结构和构件计算时的荷载分项系数取值Table 3 Partial coefficient value of load during calculation of PV bracket structure and components

4 结论

本文通过对比各种光伏支架类型及其基础形式的适用条件、施工难易程度、投资成本，并结合光伏支架材料等要素，从经济性和施工便利性考虑，得出甘肃省建设光伏发电项目时适用于其地质条件及施工条件的光伏支架基础形式及光伏支架形式，以期为甘肃省光伏发电项目的工程实践提供技术指导。