复杂地形条件下光伏柔性支架应用

杨学明

国家电投集团江西置业有限公司 江西 南昌 330000

能源枯竭问题已成为全球性的重要研究课题，太阳能作为绿色可再生清洁能源受到了广泛的关注。太阳能能源在我国能源结构中的占比逐年增加。2020年我国在联合国大会上提出了“双碳”的目标，光伏发电项目得到了更加快速的发展。现阶段，光伏发电系统的支撑系统主要包含两类，一类为活动式的支撑系统，另一类是固定式的支撑系统。活动式的支撑系统主要应用在对太阳位置能够进行实时跟踪的发电系统中。本文讨论的是光伏项目大量运用的固定式支撑系统。固定式支撑系统结合结构材料特性可以分为刚性支架和柔性支架两种。传统的刚性光伏支架主要应用在戈壁、荒漠等平整度较高的场地，传统刚性支架在地形条件较为复杂的区域适应用性较小，土地资源应用受到限制。近几年研发出通过预应力拉索体系构成的大跨度柔性光伏支架结构能够避免地形的复杂性限制，提高土地利用率，解决固定支架土地的局限性。新系统所采用的悬索作为光伏组件的承载占地面积更小，具有更强的场地适应性，能够适合各类复杂地形条件。柔性组件的自重较轻、刚度小、跨度大等特点导致其抗风性较差，未来需要对其抗风性进行不断的提升和优化[1]。

1 柔性光伏支架适用性分析

光伏支架的主要功能在于对光伏发电系统中的光伏板起到支撑和固定的作用，柔性支架的组成主要包括立柱、柔性索、斜拉索等，光伏系统的光伏板通常固定在柔性索上，这样就可以提升跨度，并且可以灵活调节，不仅耗材较少同时也不会占有较大面积，既具备实用性又能够兼顾经济性，可以广泛应用在山地、滩涂以及鱼塘等复杂地形条件情况下。表1为普通支架和柔性支架能够应用的范围对比，从表中能够看出，地形较为复杂的污水厂和山地通常会因为刚性的常规支架与可调节支架特点存在着较大难度的施工问题，不仅跨度小、支架基础多，成本投入较高的问题，适用性并不强。柔性光伏支架结构能够有效弥补以上问题，柔性支架的场地适应性更强，能够应用在各种各样复杂的地形当中，对于深沟或者河道可以通过立柱位置的合理设置进行有效跨越，进而对复杂场地环境的土地资源进行充分利用。柔性光伏支架能够实现国家倡导的农光互补和渔光互补倡议，积极推动新能源光伏产业融合其他多想产业，是现代化发展和国家建设的重要措施。

表1 柔性支架与普通支架适用范围对比

需要注意的是，对比传统刚性固定支架，柔性光伏支架虽然具有较为明显的优势，但仍然存在着一些制约因素，具体包含以下几点：

（1）柔性索的耐久性

柔性索引长期处于恶劣环境的区域当中，长期进行连续的风雪荷载作用，在抗疲劳能力和抗锈蚀能力方面有较高的要求，很难满足光伏发电站25年的设计使用寿命，也是制约柔性光伏支架快速发展的重要影响因素。

（2）安装难度大

柔性光伏支架的设计方面能能够达到较大的跨度，且为了融合多个产业，通常离地较高。这样就导致光伏光伏板在安装方面对比地面固定支架具有更高的难度，存在较多的不稳定影响因素，对施工人员的要求也更高。

（3）技术复杂

柔性索在预张拉的程序方面需要确保施工质量，技术较为复杂，对团队的专业要求较高。

（4）检修难度大

因柔性光伏支架多应用在复杂地形区域内，检修难度也对比固定支架更高。

2 柔性支架特点分析

2.1 适用地形条件

柔性光伏支架主要优点是环境适应性强，比固定光伏支架具有更强的优势：①场地适应性强。空间利用率高、地形跨度大、抗风能力较强；②承重更小、用钢量少、材料用量节省、成本低；③较强结构预装性、支架基础数量较少、受温度影响较小、施工进度可加快、施工周期可缩短。随着大容量的集中式光伏电站和基地项目的建设指标不断更新，国家正在积极推广复合型的光伏项目，如渔光互补、农光互补、林光互补以及分布式光伏等，对比传统固定支架柔性光伏支架具备更加广阔的应用范围和发展前景。

2.2 工序施工安装

柔性支架系统采用了无粘结的预应力技术，可以通过施加预应力在钢索上获得需要的刚度，通过对撑杆和钢索进行稳定确保系统在风荷载的作用下对风振进行有效的抵御，同时也能够对钢索的抗扰度进行有效控制，对变量进行有效的控制。通过专用的连接件进行滑移法进行施工，这样能够有效避免安装过程或者维修对钢索产生振动的影响，一定程度规避了裂痕的出现。施工工序主要为放线测量挖电缆沟、开挖接地防雷沟后钻孔并放置钢筋笼并进行混凝土灌注、安装钢结构后进行主钢索的放线并安装接地防雷网、张拉钢索后安装光伏光伏板后连接电气进行测试、最后进行验收。对比传统固定式支架，柔性支架在施工方面的不同点包括：①柔性支架采用的立柱数量更少，因此桩基的立柱尺寸通常大于传统的固定支架，需要采用条形基础或者混凝土的独立基础，立柱通常采用厂家预装的H型钢柱；②柔性支架的跨度通常较大，因此距离地面的高度通常较高，这样的情况下施工方法方面通常采用滑移法，在高差比较大的区域则需要通过施工人员采用安全绳悬挂的形式进行安装，对比常规的地面支架施工具有更高的难度和作业风险；③柔性支架技术的核心在于预应力钢绞线的张拉，需要具备专业资质的团队来进行施工。

2.3 后期检修维护

柔性支架的维护和检修对比传统固定支架的难度更大，固定支架的检修维护通常采用干刷、风吹或者水洗的形式对组件进行清理。但柔性支架的距离地面的高度通常较高，清洁方面通常只能采用水冲的形式。如果光伏组件出现破损或者质量问题，更换难度通常也较大。另外，预应力钢索进行初始施工时需要采用专业的器械进行预应力的施加，顶端需要配备专门定制的防滑脱锚具，随着应用时间的增长，会出现也应力损失的问题，加大了钢索的挠度。运维人员通常无法对这种情况进行有效处理，需要专业的施工团队进行现场处理。预应力钢索长期暴露在太阳辐射、酸雨、潮湿或者盐雾含量较高的地区，长期的振动作用和持续荷载都会对其耐久性造成严重的影响。通常空气中的氧气和水分会与钢索中的铁元素进行化学反应，造成钢丝部分锈蚀，减少截面积，进而降低钢索的承载能力。钢索的防护通常为两种形式，一种是在钢索表面进行热镀锌工艺或者涂层环氧材料，通过这种形式来对钢索进行表面的保护，降低锈蚀的可能性；一种是采用PE管外套对钢绞线或者钢丝束进行惹急高密度聚乙烯护套进行防护，PE材料具备较高的水密性、气密性和抗紫外线性能，能够起到良好的防护作用。维护人员后期也需要对预应力钢索的状态进行定期的巡视，对其进行专业及时的维护[2]。

3 柔性光伏支架系统构造设计

3.1 柔性支架系统介绍

柔性光伏支架是一种能够承受一定程度形变的支架系统，不同于固定的刚性支架能够在预先设置好的等距离预应力钢索上安装光伏组件，预应力钢索的顶端包括钢结构和混凝土基础来进行承载。采用内部刚性斜支撑结合外部张拉斜拉索的形式能够有效缩短两端的顶部支撑弯矩。钢索的功能主要为承重，因此需要具备刚度大、质量轻和柔性大等特点，通过施加充分的预应力能够产生有效的刚度和支撑[3]。悬索类结构的特点包括：①可承受拉力但不可承受压力；②钢索的刚度来源主要为几何刚度，通常由施工中的预应力来实现；③钢索处于紧绷状态下能够具备线性特征，不紧绷则无线性特征；④施加钢索的预应力会随着时间的推移逐渐损失。因此柔性支架具备较大的空间延展性，能够最大程度利用空间，并能够根据地形来对跨度进行灵活的调整，将钢索类结构的受拉强度进行充分发挥。柔性光伏支架结构主要包含两个体系：柔性系统、支架系统。柔性系统包括稳定钢索、预应力悬索、光伏组件以及组件固定卡具等；支架系统包括钢立柱、混凝土基础、支撑体系、钢梁等。结合光伏支架的受力特点通常会在结构两侧设置斜支撑和斜拉索进行支撑，光伏组件在承受风雪荷载时通常拉索会出现受力变形的情况，钢立柱和斜拉索、斜支撑能够抵御多方向的力。

3.2 柔性支架设计

3.2.1 光伏组件-钢绞线连接结构

光伏光伏板一半会通过四块压板固定连接在柔性索上，柔性索除了光伏板以外还需要增设连杆，以此来对柔性索进行位置的固定，这样能够避免柔性索因外力的影响出现摆动的情况，降低外力对光伏板水平的干扰。

需要注意的是压块需要结合光伏光伏板的组件边框尺寸进行匹配生产。为了避免光伏板因为风吸力的作用出现上浮回落的情况造成光伏板出现损伤，需要通过绳夹和螺栓来对钢绞线和光伏组件进行固定，同时需要设置倒钩进行上浮预防，图1为连接的截面。

图1 光伏组件-钢绞线连接截面示意图

3.2.2 钢绞线-支架连接结构

柔性支架体系的核心为主柔性索，需要确保其与顶端和中部的支架进行牢固的连接。如图2中的柔性支架结构顶端支架处固定的钢绞线，这种方法有较高的锚固要求，需要保障预张拉程序结束后钢绞线能够牢牢地进行锚固。需要注意的是，锚具外需要预留1.5-2.0m的钢绞线，这样能够进行有效的预张拉[4]。同时，顶端支架是整个支架体系中水平负荷最大的位置，会对混凝土基础产生较大拉拔力和剪力。因此通常在顶端支架外部增设斜拉杆来提升柔性支架体系的稳定性和安全性，通过单双锚杆来进行土层稳定性的提升。

图2 钢绞线-端部支架连接结构图

3.2.3 组件保护结构

柔性光伏支架因跨度较大必不可少地会受到强风的干扰，进而出现大幅度的水平摆动，严重者甚至会损坏光伏光伏板。因此柔性光伏支架需要通过设置削弱外力干扰措施来对光伏光伏板进行保护，延长其应用寿命。采用间断设置连杆的形式能够降低外界影响造成损伤光伏光伏板的情况，也能够避免钢绞线振动对光伏光伏板的冲击。连杆上同时增设拉环与防风缆绳进行连接，另一端与顶端或者中部立柱的地步进行固定连接也额能够避免光伏光伏板因为风吸力造成上浮回落的情况，对光伏光伏板造成不必要的损坏[5]。图3为连杆-钢绞线连接结构图，图4为连杆防风缆绳连接结构图。

图3 连杆 -钢绞线连接结构图

图4 连杆防风缆绳连接结构图

需要注意的是进一步对防风缆绳的结构进行优化能够更好地避免连杆和防风缆绳的过度固定约束，进一步提升柔性光伏体系的抗风能力。在防风缆绳另一端设置缓冲功能的弹性构建也可能够提升抗风阻尼，确保强风状态下柔性支架的变形能够放缓，有效减轻强风对支架的冲击力，图5为缓冲弹性结构图。

图5 中部缓冲弹性结构图

4 结束语

综上所述，传统的光伏固定支架系统在地形应用方面存在着一定的限制，柔性光伏支架系统的跨度更大、占地面积更小、环境适应性更强，能够广泛应用在复杂地形当中。柔性光伏支架在设计和维护方面更加注重整体的稳定性和应用型，操作及维护方面的重点也主要为抗风能力、钢配件的防腐蚀等方面。随着国家投入更多的研发力量和专业团队，光伏柔性支架系统会朝着更加耐用、经济和安全的方向发展，具有良好的发展前景。