農業大棚光伏結構體系的優化設計研究

中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司 ■ 王澤國 王磊 吉春明

0 引言

太陽能是目前可再生能源利用的熱點之一[1-2]，近年來，利用太陽能發電的光伏電站得到了快速發展。隨著國家對耕地保護越來越重視，且土地資源越來越緊張，以往傳統的大型地面光伏電站的發展遇到了瓶頸，建設變得較為困難。而“農光互補”模式將光伏電站與農業種植相結合，實現了“上可發電、下可種植”的效果，在近年得到了快速發展。

“農光互補”電站不僅節約了建設地面電站的土地，同時還可以改變光伏電站前期投資大、回收周期長的問題，電站下方的農業大棚可出租，攤薄電站建設成本投入，具有顯著的經濟和社會效益。

本文主要討論了一種“農光互補”電站的結構體系，其主要包含光伏支架、農業大棚及下部的基礎部分，通過對這幾部分進行優化設計，降低支架用鋼量，大棚形式簡單實用、下部基礎部分受力合理，顯著降低了建設成本。

1 工程概況

1.1 地質情況

某光伏電站工程位于徐州市豐縣境內，場址區原為一般農用地，地形較平坦，地貌單元主要為沖積平原。根據項目勘測報告，光伏方陣區的地基土主要由第四系全新統沖積成因的粉土和黏土夾粉土組成。土層巖土設計參數如表1所示。

表1 光伏方陣區土層巖土設計參數表

1.2 光伏支架荷載取值和計算結果

根據GB 50797-2012《光伏發電設計規范》中第6.8.7條的規定，光伏支架的設計使用年限為25年；然后根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》附錄E.3.4條的換算公式可知，本地區25年一遇基本風壓為0.31 kN/m2，25年一遇基本雪壓為0.31 kN/m2，地面粗糙度為B類。

由PKPM計算模型可計算得出，支架前立柱底部最大彎矩為3.1 kN/m，最大剪力為3.7 kN，最大壓力為10 kN，最大拔力為2 kN；后立柱底部最大彎矩為9.4 kN/m，最大剪力為6.5 kN，最大壓力為13 kN，最大拔力為5 kN。

2 光伏系統設計方案

2.1 常規設計方案

根據之前光伏項目的設計經驗，本工程采用前、后立柱支架結構形式，斜梁通過前、后立柱支撐上部光伏組件及其他荷載，每排光伏組件采用兩根檁條支撐，支架結構基礎采用混凝土獨立基礎或樁基礎，大棚拱形桿通過支撐在支架后立柱的橫擔上來維持穩定性。采用獨立基礎的常規設計方案圖如圖1所示。

圖1 常規光伏系統設計方案(單位：mm)

為保證光伏組件下方農業大棚種植的需要，要求大棚頂部距地面凈高≥3 m，因此使得支架前、后立柱較高；為使支架體系穩定并節約鋼材，支架前、后立柱底部需為剛接。此方案中單個大棚支架用鋼量為1846.4 kg，各主材占比如表2所示，材料均為Q235B級鋼。

表2 常規設計方案各主材占比表

2.2 設計方案優化

為降低本項目單位kW的造價、節約鋼材，并提高工程施工效率，本文采用以下措施對原有光伏系統的設計方案進行優化設計。

2.2.1 檁條

由表2可知，檁條在總重量中占41.50%，比重較大；6排光伏組件需要12根檁條，單根檁條僅支撐1/2排光伏組件，未能有效發揮鋼材性能。

將檁條位置進行微調，使單根檁條兩側均可以支撐光伏組件，這樣6排光伏組件僅需要7根檁條即可支撐。檁條與光伏組件螺栓連接處如圖2所示。

圖2 組件托件(單位：mm)

由于檁條一般采用C型檁條，為支撐兩側光伏組件，需采用在檁條側面中心增加托件的方式，使檁條和托件上側均可通過螺栓連接組件安裝孔，充分利用了鋼材的抗彎性能。單個大棚的檁條由12根優化至7根，鋼材由Q235B級改為Q345B級，而根據目前的市場價格，鋼材由Q235B級改為Q345B級，價格增加不多。

2.2.2 斜梁

在原設計方案中，斜梁為受彎構件。由于斜梁水平距離達4.8 m，跨度較大，因此，為支撐上部光伏組件及抗風壓、雪壓，斜梁的尺寸較大。

通過在前、后立柱上部增加隅撐，可將斜梁由單跨變為3跨，有效降低斜梁的最大彎矩，進而減小設計截面大小。

優化后，單個大棚支架用鋼量為1391 kg，各主材占比如表3所示。其中，檁條為Q345B級鋼，其他為Q235B級鋼。

表3 優化設計方案中各主材占比表

2.2.3 光伏支架基礎

目前，“光伏農業大棚” 基礎主要采用樁基礎或獨立基礎。

預制管樁基礎由于存在“擠土效應”，一般不易施工，且打樁產生的噪音也會影響附近居民。獨立基礎適用于地面平坦的“農光互補”電站[3]，是一種較為可行的基礎方案；但獨立基礎一般需要滿足抗彎和抗傾覆要求，因此其截面一般較大，占用了大量的光伏陣列下方的可利用面積，不利于下方農業種植的需求。

本文優化設計方案采用一種下沉式基礎結構，基礎為T型結構，包含下部的灌注式基礎和上部的支撐平臺。上部平臺通過鋼筋籠套在下部鋼筋籠上，頂部預埋4根地腳螺栓，與支架立柱端板螺栓連接。該基礎剖面圖及俯視圖如圖3所示。

經比較，單個下沉式基礎的鋼筋混凝土方量為0.175 m3，相比同等技術要求的獨立基礎的0.31 m3降低了43.5%，具有顯著的經濟效益。

為進一步驗證下沉式基礎的安全性，對總長為1.9 m的3根下沉式基礎進行了單樁豎向抗拔試驗和水平靜載試驗。試驗結果表明，基礎豎向抗拔承載力特征值為20 kN，水平臨界荷載統計值為26 kN，均大于支架前、后立柱的最大拔力和剪力。

圖3 基礎剖面圖及俯視圖

2.3 優化前后兩種設計方案對比

優化后的設計方案采用7根檁條支撐上部橫向6排光伏組件，采用隅撐將斜梁由單跨變為3跨，支架結構基礎采用下沉式基礎替代原有的獨立基礎或樁基礎。優化后設計方案如圖4所示，表4為優化前后的光伏結構各主材重量及對比。

圖4 優化后光伏系統設計方案(單位：mm)

表4 單個大棚支架用鋼量對比表

由表4可知，經過優化設計，光伏支架總重量相比原方案降低了24.66%，節約了大量鋼材，降低了投資成本；且優化后光伏支架系統現場無焊接工作量，全部采用螺栓連接，系統受力合理，施工簡便。

3 結語

本文通過對“農光互補”光伏結構體系進行設計優化，大幅降低了光伏系統用鋼量和混凝土方量，具有顯著的經濟效益；優化后的結構體系受力合理，施工簡便，為今后農業光伏的發展創造了條件，具有一定的參考價值。