沙漠地面光伏电站支架及基础计算选型设计

肖江奇

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

0 引言

近日,国家发展和改革委员会、国家能源局发布“关于印发《以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案》的通知”,要求在沙漠和戈壁地区规划建设大型风电光伏基地。不同区域的沙漠地形地质状况千差万别,极大程度影响了光伏支架结构及基础的选型计算,而支架及基础的选型直接关系到支架系统的结构安全性、施工难易性及成本合理性。因此,沙漠地区地面光伏电站设计初期的支架及基础选型对整个光伏电站的开发建设尤为重要。

本文以腾格里沙漠西缘某光伏电站为例,简要介绍沙漠地面光伏电站支架及基础选型计算设计。

1 太阳能光伏支架及基础形式简介

行业内地面光伏电站支架根据其倾角调节方式可分为固定倾角式支架、倾角手动调整式支架、倾角自动调整式支架等不同类型,其中倾角自动调整式支架又可分为平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架、双轴跟踪支架。根据立柱的形式,可将光伏支架分为单立柱支架及双立柱支架两种形式。

表1 常用地面光伏支架形式简介

常用的基础形式主要包括桩基础、现浇混凝土独立基础等,其中桩基础根据桩身组成材料不同可分为预制管桩基础、螺旋桩基础及微孔灌注桩基础等。

表2 常用地面光伏支架基础形式

在工程实践中,应针对具体的项目建设条件,根据地形条件、地质资料和荷载工况,通过技术经济比选确定适宜的支架结构类型和基础形式。

2 应用案例

该项目位于腾格里沙漠西缘,属风积砂丘区,总体地势由东南向西北倾斜,地形波状起伏,主要为半固定沙丘,呈新月形链状分布。

2.1 主要设计条件

（1）设计基本风压：0.55 kN/m2；基本雪压：0.2 kN/m2。

（2）抗震设防烈度：7 度,设计基本地震加速度：0.15 g。

（3）建筑场地类别：Ⅲ类。

（4）标准冻结深度：1.4 m。

2.2 工程地质概况

场址区根据地层形成的年代、因素、岩性及物理力学特征分为2 个地层,其中第2 层又分为2 个亚层,见表3。

表3 地基土主要物理力学性质指标表

其中①层中细砂Q44eol在场区连续分布,为光伏支架短基础的主要持力层,呈浅黄色,干燥,结构松散,极易风蚀流动。

2.3 支架及基础比选

鉴于项目场址区复杂的地形、地质条件,为确保工程安全可靠运行,减小后期运维成本,本项目选用地面光伏电站中常用的固定倾角式光伏支架形式,将组件固定安装在支架上,根据项目地太阳辐射及维度计算后选择发电最佳倾角37°,正南向布置。结合工程地质条件、基础适用性等要求初步判断,本项目可选基础形式为预制管桩基础及螺旋桩基础。

根据工程经验,预制管桩基础一般适用于单立柱光伏支架,螺旋桩基础一般适用于双立柱光伏支架。为进一步确认支架及基础形式,采用Sap2000 三维有限元软件分别建模进行单/双立柱支架本体结构及柱底荷载计算。

图1 双立柱支架体型

图2 单立柱支架体型

2.3.1支架计算

模型以37°最大发电量倾角设置,檩条上部支撑组件,下部与斜梁相连接,斜梁下部与立柱与斜撑连接,立柱与基础间采用固结形式连接,基础东西向间距4.3 m。

图3 双立柱支架三维模型图

图4 单立柱支架三维模型图

计算支架时采用25 年风、雪荷载工况,计算基础时采用50 年风、雪荷载工况。计算的荷载组合依据《光伏支架结构设计规程》（NB/T 10115-2018）,分别求得两种类型支架主要构件截面及基础顶部荷载。

表4 双立柱支架主要构件重量表

表5 单立柱支架主要构件重量表

2.3.2基础计算

根据支架计算结果,双立柱支架及单立柱支架柱底单节点荷载见表6、表7。

表6 双立柱支架桩顶节点最大反力值

表7 单立柱支架桩顶节点最大反力值

根据《太阳能光伏发电站支架基础技术规范》（GB 51101-2016）要求,竖向压力作用下单桩的竖向抗压承载力特征值应满足竖向拔力作用下单桩的竖向抗拔承载力特征值应满足

螺旋桩的抗压极限承载力标准值可按照式Quk=∑uiqsikli+qpkAD估算,螺旋桩的抗拔极限承载力标准值可按照式Tuk=∑iuiqsikli估算；预制桩的抗压极限承载力标准值可按照式Quk=ua∑qsikli+qpkAd估算,预制桩的极限抗拔承载力标准值可按照式Tuk=ua∑i qsikli估算。

当采用双立柱支架方案适配螺旋桩基础时,螺旋桩本体钢管采用φ86×4 mm,地面0.6 m 以下间隔1.0 m 设3 道φ300大叶片,入地深度不应小于3.0 m,整桩长不应小于3.3 m。单套双立柱支架采用8 根螺旋桩。

图5 螺旋桩设计图

当采用单立柱支架方案适配预制混凝土管桩基础时,管桩型号PHC300AB70-3,入地长度不应小于2.2 m,整桩长不小于3.0 m。单套单立柱支架采用4 根预制桩。

2.4 工程投资分析

按照100 MW 约7122 套支架,以经济性分析两种形式支架及基础工程初始投资。计算时钢材重量取8.5 元/kg,螺旋桩单根采购费用160 元,预制桩单米采购费用100 元计。

表8 支架工程投资对比表

表9 基础工程投资对比表

通过以上对比可知,双立柱支架较单立柱支架费用高约334.89 万元,螺旋桩基础较预制管桩基础费用低约185.17 万元,综合对比双立柱支架适配螺旋桩基础较单立柱支架适配预制管桩基础费用高约149.72 万元。

以施工便易性分析,螺旋桩可采用长螺旋桩打桩机钻至设计标高,施工便捷；预制管桩可采用打桩机锤击或静压至设计标高,同样施工方便。

综合以上分析,考虑初期投资成本后,最终选定单立柱支架基础方案作为该项目最终实施方案。

3 结语

选择光伏支架及基础形式对光伏电站初期投资影响较大,需要结合地质情况,合理选择。本文以甘肃省腾格里沙漠西缘新能源基地项目某光伏电站为例,运用有限元计算软件,从适用性、经济性及施工便利性等方面对不同形式的支架及基础形式进行了数据对比,有效节省了成本,也为后续类似工程设计提供了参考。