沙漠地面光伏電站支架及基礎計算選型設計

肖江奇

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

近日,國家發展和改革委員會、國家能源局發布“關于印發《以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點的大型風電光伏基地規劃布局方案》的通知”,要求在沙漠和戈壁地區規劃建設大型風電光伏基地。不同區域的沙漠地形地質狀況千差萬別,極大程度影響了光伏支架結構及基礎的選型計算,而支架及基礎的選型直接關系到支架系統的結構安全性、施工難易性及成本合理性。因此,沙漠地區地面光伏電站設計初期的支架及基礎選型對整個光伏電站的開發建設尤為重要。

本文以騰格里沙漠西緣某光伏電站為例,簡要介紹沙漠地面光伏電站支架及基礎選型計算設計。

1 太陽能光伏支架及基礎形式簡介

行業內地面光伏電站支架根據其傾角調節方式可分為固定傾角式支架、傾角手動調整式支架、傾角自動調整式支架等不同類型,其中傾角自動調整式支架又可分為平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架、雙軸跟蹤支架。根據立柱的形式,可將光伏支架分為單立柱支架及雙立柱支架兩種形式。

表1 常用地面光伏支架形式簡介

常用的基礎形式主要包括樁基礎、現澆混凝土獨立基礎等,其中樁基礎根據樁身組成材料不同可分為預制管樁基礎、螺旋樁基礎及微孔灌注樁基礎等。

表2 常用地面光伏支架基礎形式

在工程實踐中,應針對具體的項目建設條件,根據地形條件、地質資料和荷載工況,通過技術經濟比選確定適宜的支架結構類型和基礎形式。

2 應用案例

該項目位于騰格里沙漠西緣,屬風積砂丘區,總體地勢由東南向西北傾斜,地形波狀起伏,主要為半固定沙丘,呈新月形鏈狀分布。

2.1 主要設計條件

（1）設計基本風壓：0.55 kN/m2；基本雪壓：0.2 kN/m2。

（2）抗震設防烈度：7 度,設計基本地震加速度：0.15 g。

（3）建筑場地類別：Ⅲ類。

（4）標準凍結深度：1.4 m。

2.2 工程地質概況

場址區根據地層形成的年代、因素、巖性及物理力學特征分為2 個地層,其中第2 層又分為2 個亞層,見表3。

表3 地基土主要物理力學性質指標表

其中①層中細砂Q44eol在場區連續分布,為光伏支架短基礎的主要持力層,呈淺黃色,干燥,結構松散,極易風蝕流動。

2.3 支架及基礎比選

鑒于項目場址區復雜的地形、地質條件,為確保工程安全可靠運行,減小后期運維成本,本項目選用地面光伏電站中常用的固定傾角式光伏支架形式,將組件固定安裝在支架上,根據項目地太陽輻射及維度計算后選擇發電最佳傾角37°,正南向布置。結合工程地質條件、基礎適用性等要求初步判斷,本項目可選基礎形式為預制管樁基礎及螺旋樁基礎。

根據工程經驗,預制管樁基礎一般適用于單立柱光伏支架,螺旋樁基礎一般適用于雙立柱光伏支架。為進一步確認支架及基礎形式,采用Sap2000 三維有限元軟件分別建模進行單/雙立柱支架本體結構及柱底荷載計算。

圖1 雙立柱支架體型

圖2 單立柱支架體型

2.3.1支架計算

模型以37°最大發電量傾角設置,檁條上部支撐組件,下部與斜梁相連接,斜梁下部與立柱與斜撐連接,立柱與基礎間采用固結形式連接,基礎東西向間距4.3 m。

圖3 雙立柱支架三維模型圖

圖4 單立柱支架三維模型圖

計算支架時采用25 年風、雪荷載工況,計算基礎時采用50 年風、雪荷載工況。計算的荷載組合依據《光伏支架結構設計規程》（NB/T 10115-2018）,分別求得兩種類型支架主要構件截面及基礎頂部荷載。

表4 雙立柱支架主要構件重量表

表5 單立柱支架主要構件重量表

2.3.2基礎計算

根據支架計算結果,雙立柱支架及單立柱支架柱底單節點荷載見表6、表7。

表6 雙立柱支架樁頂節點最大反力值

表7 單立柱支架樁頂節點最大反力值

根據《太陽能光伏發電站支架基礎技術規范》（GB 51101-2016）要求,豎向壓力作用下單樁的豎向抗壓承載力特征值應滿足豎向拔力作用下單樁的豎向抗拔承載力特征值應滿足

螺旋樁的抗壓極限承載力標準值可按照式Quk=∑uiqsikli+qpkAD估算,螺旋樁的抗拔極限承載力標準值可按照式Tuk=∑iuiqsikli估算；預制樁的抗壓極限承載力標準值可按照式Quk=ua∑qsikli+qpkAd估算,預制樁的極限抗拔承載力標準值可按照式Tuk=ua∑i qsikli估算。

當采用雙立柱支架方案適配螺旋樁基礎時,螺旋樁本體鋼管采用φ86×4 mm,地面0.6 m 以下間隔1.0 m 設3 道φ300大葉片,入地深度不應小于3.0 m,整樁長不應小于3.3 m。單套雙立柱支架采用8 根螺旋樁。

圖5 螺旋樁設計圖

當采用單立柱支架方案適配預制混凝土管樁基礎時,管樁型號PHC300AB70-3,入地長度不應小于2.2 m,整樁長不小于3.0 m。單套單立柱支架采用4 根預制樁。

2.4 工程投資分析

按照100 MW 約7122 套支架,以經濟性分析兩種形式支架及基礎工程初始投資。計算時鋼材重量取8.5 元/kg,螺旋樁單根采購費用160 元,預制樁單米采購費用100 元計。

表8 支架工程投資對比表

表9 基礎工程投資對比表

通過以上對比可知,雙立柱支架較單立柱支架費用高約334.89 萬元,螺旋樁基礎較預制管樁基礎費用低約185.17 萬元,綜合對比雙立柱支架適配螺旋樁基礎較單立柱支架適配預制管樁基礎費用高約149.72 萬元。

以施工便易性分析,螺旋樁可采用長螺旋樁打樁機鉆至設計標高,施工便捷；預制管樁可采用打樁機錘擊或靜壓至設計標高,同樣施工方便。

綜合以上分析,考慮初期投資成本后,最終選定單立柱支架基礎方案作為該項目最終實施方案。

3 結語

選擇光伏支架及基礎形式對光伏電站初期投資影響較大,需要結合地質情況,合理選擇。本文以甘肅省騰格里沙漠西緣新能源基地項目某光伏電站為例,運用有限元計算軟件,從適用性、經濟性及施工便利性等方面對不同形式的支架及基礎形式進行了數據對比,有效節省了成本,也為后續類似工程設計提供了參考。