模块化大跨度水上光伏支撑系统

喻旭明，张 可，陈睿锋*

(1.中广核太阳能(嘉兴)有限公司，嘉兴 314300；2.浙江中南绿建科技集团有限公司，杭州 311400)

0 引言

2022 年6 月1 日《“十四五”可再生能源发展规划》正式发布，中国针对2035 年远景目标及2025 年非化石能源消费占比20%的任务要求，提出了“十四五”期间可再生能源的发展目标；针对可再生能源发电目标，提出了2025 年可再生能源发电量达到3.3 万亿kWh 左右、“十四五”期间风电和光伏发电量相较于“十三五”翻倍的要求。光伏发电作为可再生能源发电的主力军，对实现能源结构调整具有重大意义。

目前，光伏支撑系统主要分为固定式光伏支撑系统及漂浮式光伏支撑系统。常见的漂浮式光伏支撑系统采用聚乙烯塑料浮筒+锚固系统的形式，因浮筒具有强度低、耐久性差、易破损沉没等缺点，导致此种光伏支撑系统的应用不及固定式光伏支撑系统(即固定式光伏支架)广泛[1]。固定式光伏支架主要分为刚性光伏支架和柔性光伏支架，刚性光伏支架主要通过斜支撑檩条、前后立柱支撑光伏组件；柔性光伏支架主要通过预应力钢索承担其上部光伏组件的荷载，具体如图1 所示。

图1 固定式光伏支架常见类型Fig. 1 Common types of fixed PV bracket

常见的柔性光伏支架的主要缺点包括：1)索结构挠度大，易使其上方光伏组件之间发生碰撞、挤压，损坏光伏组件；2)结构整体对风荷载较为敏感，风致振动较大，风荷载与结构相互耦合，结构受力及变形分析较为困难[2-3]；3)对于采用打桩方式的光伏支架或单桩费用较高的情况，索结构经济性差，单桩覆盖面积也较小。

常见的刚性光伏支架也存在单桩覆盖面积小，经济性差的缺点。同时，常见的柔性和刚性光伏支架应用于水上场景时，都存在施工作业困难的问题。水上大跨度光伏电站采用柔性光伏支架时，在打桩完成后，需通过桩上连接构件将预应力钢索进行张拉，再在其上方铺设光伏组件。此类施工面临的难点主要有：1)预应力钢索布置及张拉时需运输船来回进行牵引，往返多趟降低了施工效率；2)桩上连接构件的安装、调整及预应力钢索的张拉均需要现场完成，很难保证施工品质；3)铺设光伏组件时，需要由运输船将工人送至不同安装点后再进行铺设，施工效率低，特别是跨中位置离两边桩基较远时，施工难度大。目前常见的刚性光伏支架很少用于海上，因为海上环境较难进行光伏组件与光伏支撑结构的安装，相较于柔性光伏支架，刚性光伏支架由于所需桩基较多，水上安装效率更低。

为了解决光伏支架中单桩覆盖面积小和水上施工困难的问题，本文提出一种模块化大跨度的水上光伏支撑系统方案。该光伏支撑系统主要针对的问题为桩身较长、成本高、施工困等，因此本文以该光伏支撑系统在海上的应用为例进行说明。

1 模块化大跨度水上光伏支撑系统介绍

该光伏支撑系统主要包括3 部分：1)主梁檩条与高度可变化的檩托组合形成倾角可调的光伏组件支撑结构；2)主梁与桩的斜支撑组成的结构；3)主梁的抗倾覆结构。

第1)部分采用主梁作为连续受力构件，可减少桩的使用数量，提高支架下部空间布置的灵活性，且对于打桩及单桩费用较高的情况(如大跨度结构海上打桩)，可有效降低费用。主梁上通过设置变高度檩托，用于调节光伏组件安装倾角，使其处于最佳倾角，以提高光伏组件发电效率，如图2a 所示。檩条支撑于光伏组件中部，留出一定悬挑，从而使弯矩在单块光伏组件的分布更为均匀，受力更为合理。

图2 模块化大跨度水上光伏支撑系统细部图Fig. 2 Details of modular long-span aquatic PV support system

第2)部分采用含有预埋套箍的预制桩，便于主梁与桩的斜支撑安装，如图2a 所示，从而减小主梁面内的计算长度，协同传力至下部预制桩，使主梁设计更为经济。

第3)部分在预制桩上部焊接板件，在板件上将斜支撑与主梁上翼缘相连，如图2b 所示，从而抵抗主梁倾覆，提高安全性。本系统采用标准化构件进行设计，实现模块化施工。

2 模块化大跨度水上光伏支撑系统算例及费用对比

以浙江省嘉兴市海盐县某光伏发电项目为例，该项目的主要荷载信息为：光伏组件荷载0.15 kN/m2，基本风压0.70 kN/m2，雪荷载0.35 kN/m2。此项目中风荷载取值较大是考虑到光伏支撑系统的抗台风能力，因而将当地基本风压0.45 kN/m2提至为0.70 kN/m2。光伏组件安装倾角为10°，参照相关规范[4-7]，对此荷载下的光伏支架分别采用传统的刚性光伏支架、柔性光伏支架及模块化大跨度水上光伏支撑系统进行设计。

当采用传统的刚性光伏支架(如图1a 所示)时，经测算，上部钢结构所需单位用钢量为7.865 kg/m2，单桩覆盖面积为16.25 m2。因上部钢材较多采用的是薄壁型钢，钢材价格取8000 元/t；因桩上部荷载和桩径较小，桩成本取7000 元/根，从而可得光伏支撑结构成本为493.7 元/m2。设铺设的光伏组件的输出功率为206.5 W/m2时，则单位发电成本为2.4 元/W。

当采用传统的柔性光伏支架(如图1b 所示)时，经测算，钢索的单位用钢量为1.38 kg/m2，单桩覆盖面积为27.5 m2。当钢索的价格为17000元/t、桩成本取为8000 元/根(上部荷载较大导致桩径较大，从而成本较高)时，可得光伏支撑结构成本为314.4 元/m2。若光伏组件的输出功率为206.5 W/m2，则单位发电成本为1.52 元/W。

当采用本模块化大跨度水上光伏支撑系统时，上部主要钢构件为钢梁及Z 型钢檩条，总用钢量为20 kg/m2，单桩覆盖面积为100 m2。因主钢梁加工费用较高，钢材价格为10000 元/t，上部荷载同样较大，因而桩成本取8000 元/根，光伏支撑结构成本为280 元/m2。光伏组件输出功率取206.5 W/m2时，单位发电成本为1.36 元/W。

通过对比费用可见，模块化大跨度水上光伏支撑系统方案最具经济性，虽然其上部用钢量较大，但单桩覆盖面积也大幅增加，从而很大程度降低了桩的费用，使总成本下降。

3 模块化大跨度水上光伏支撑系统施工方案

本模块化大跨度水上光伏支撑系统的配套施工方案包括3 个步骤：1)光伏支撑结构与光伏组件的模块化组装；2)利用带有卡槽的构件使光伏支架堆叠，然后进行连续吊装及运输；3)光伏支撑系统的整体安装。

第1)步：采用本文第1 节提到的标准化设计将光伏支撑结构分成若干相同模块(下文简称为“结构模块”)以实现模块化施工。光伏支撑结构与光伏组件在陆地进行组装，免去后期在水上进行结构吊装、安装的过程，既可以提高施工效率，又能保证施工质量及施工安全。

吊装前钢梁之间设置支撑以承受压力和剪切力，从而保护檩条及光伏组件。在每榀结构模块的主梁两端设置水平支撑，以承受结构模块吊装时吊绳产生的水平力，从而避免檩条和光伏组件承受此水平力而产生弯曲和被损坏；在每榀结构模块的主梁之间设置两道斜支撑，防止吊装过程中结构模块倾斜或吊绳用力不均所导致的结构剪切变形。此两道斜支撑只考虑拉力而不用考虑压力。通过吊绳将结构模块安装于主梁上，在主梁首末两端一定位置处设置吊装点，使结构正负弯矩分布更为均匀，如图3 所示。

图3 结构模块的吊装示意图Fig. 3 Schematic diagram of hoisting of structure modules

第2)步：使用自主设计的带有卡槽可供结构模块堆叠的构件(两种构件可供选择，如图4所示)，将组装完毕的结构模块吊装，堆叠放置在运输船上。构件牛腿处设有卡槽，可确保结构模块堆叠运输时的稳定性、避免挤压，多层叠放的方式可提高运输效率。该构件方便拆卸，后期每吊装、安装完1 榀结构模块后可随即取出，方便下一榀结构模块的吊装及安装。

图4 两种辅助结构模块堆叠的构件Fig. 4 Two types of components assist in structural module stacking

第3)步：通过水上吊装船将结构模块吊装至指定位置，通过下部定位卡件实现与桩身的对接，然后焊接连接部位，如图5 所示。重复吊装及安装步骤，即可将结构模块安装为指定形状及面积大小的水上光伏支撑系统。本施工方案使光伏支撑系统实现模块化组装、吊装、运输及安装，最终建成满足设计要求的形状及大小的大跨度水上光伏支撑系统。

图5 结构模块与桩身的对接及组装Fig. 5 Connection and assembly of structural module and piles

4 光伏支架钢结构的防锈、涂装措施

钢材的锈蚀是一种电化学腐蚀。钢材表面化学成分的不均匀性使微观晶体产生电位差，当大气环境中的水分在钢材表面形成水膜时，含有杂质的水可作为电解液，与空气的氧气共同作用形成众多微小的原电池，这些电池不断反应生成腐蚀产物，从而逐渐破坏钢材。根据标准[8-12]，本文提出了钢结构防腐、涂装方案，使光伏支架钢结构在此种环境下具有抗锈蚀能力，保证原有设计功能的实现，具体方案如下：

1) 钢构件所用钢材表面初始锈蚀等级不应低于B 级，涂装要求防腐年限不小于15 年。防腐、防锈所采用的涂料、钢材表面的除锈等级及钢结构防腐蚀要求应符合CECS 343—2013《钢结构防腐蚀涂装技术规程》和GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评守 第1 部分：未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级》的规定。

2) 构件在高强度螺栓连接范围内的接触表面采用喷砂或抛丸处理，保证摩擦系数≥0.40。

3) 钢构件在制作完毕后应进行除锈处理，除锈等级为Sa2 1/2 级，防腐做法如表1 所示。

表1 光伏支架的防腐做法Table 1 Anti corrosion method of PV bracket

4) 现场焊接构件，并在现场焊接场地范围内进行油漆涂刷。

5) 螺栓孔应采用钻成孔，安装时螺栓应能自由穿入孔内，不得强制敲打或气割成孔。

6) 单个构件制作完毕后，应立即编号并分类放置。

7) 对构件的钻口等位置进行检查、补漆。

8) 钢结构安装合格后，对现场焊接的焊缝及周围位置采用手工除锈处理，补刷底漆和中间漆，同时对在运输或安装过程中油漆损坏部位进行修补。中间漆修补完成并验收合格后，方能涂装防火涂料或面漆。

9) 在使用过程中应对钢结构防腐蚀涂装进行全寿命周期内的定期检查和维修，并由项目业主和防腐施工单位、防腐材料供应商在工程建造时制定维护计划。光伏支架投入使用后按照该维护计划进行定期检查，并根据检查结果进行维护，必要时进行大修。

5 结论

本文提出了一种模块化大跨度水上光伏支撑系统，对该光伏支撑系统的配套构件及系统的施工方案进行了介绍。并以某光伏发电项目为例，对比得出模块化水上光伏支撑系统可节约成本、提高施工效率。该光伏支撑系统主要优点如下：

1) 单桩覆盖面积大幅增加，从而降低单位面积桩身费用及打桩成本，对于此部分费用较大的情况(如水上大跨度结构打桩)，具有较好的经济性。

2) 主梁上的檩条与高度可变的檩托组成的可调节倾角的光伏组件支撑构造，使光伏组件可调整到最佳安装倾角，提高光伏组件发电效率。

3) 自主设计的带有卡槽的构件可供结构模块堆叠，可避免堆叠放置的光伏结构相互挤压，多层叠放的方式可提高运输效率。此构件方便拆卸，后期每吊装、安装完1 榀结构模块后可随即取出，方便下榀结构模块的吊装及安装。

4) 整个光伏支撑系统采用标准化设计，模块化施工，从而降低海上作业难度，大幅提高施工效率。