并網光伏電站支架基礎對比研究

楊朝許 張琛 李利丹 王霆

摘 要：光伏電站是一種利用太陽光能、采用特殊材料諸如晶硅板、逆變器等電子元件組成的發電體系，與電網相連并向電網輸送電力的光伏發電系統。支撐作為光伏組件的，部分支架影響著光伏電站的使用壽命和安全性，所以重視光伏電站支架基礎的選擇是重中之重。正是因為光伏支架基礎如此重要，迫切需要對不同支架基礎進行對比分析，從而為光伏電站建設中支架基礎的選型與設計提供參考與支持。

關鍵詞：并網光伏電站；支架基礎；對比研究

中圖分類號：TU411? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）11-0123-03

0 引言

減少對不可再生資源的應用，大力發展清潔能源，提高對資源的利用率是促進經濟和社會發展的大勢所趨。其中最具有應用前景的新型能源包括太陽能、風能、生物質能等。太陽能分布范圍廣泛、具有可再生性，符合可持續發展的理念，光伏電站就是利用太陽能的主體。

光伏電站支架基礎作為重要的支撐，其最主要的作用就是固定光伏組件和支架系統，為了保證光伏電站發電系統的安全穩定性，選擇支架基礎成為了光伏電站建設工程的重要環節。本文結合光伏電站所在的環境、地形以及用途等進行綜合分析，考慮其抵抗自然災害和耐腐蝕性以及施工成本等，對各種類型的支架基礎進行對比，選擇最優的支架配置。

1 并網光伏電站支架基礎受力的特點

并網光伏電站是接入公用電網運行的光伏電站，其建設過程中所采用的光伏支架基礎由于環境條件不同，所以承受的意義也有所不同。

光伏支架是光伏組件的重要結構支撐，其本身和組件的質量都比較小，但是面積卻比較大。其承受的荷載大部分是風力和積雪的壓力，而作用力的方向會因為環境的變化而不斷產生變化。隨著支架傳到基礎的傳作用力是與風向相反的作用力[1]，所以支架基礎在設計時，需要結合實際情況滿足不同的作用力和反作用力。

2 不同支架基礎的特點和使用條件的對比

選擇光伏支架基礎時，需要根據光伏支架基礎的使用條件、受力特點、地形地貌、土壤情況以及所在地區的氣象條件，綜合考慮技術、經濟、安全等各種因素來決定適用的支架基礎形式。

光伏電站建設過程中占地面積比較大，所以在同一項目中，也會面臨著很大的地質和地形條件差異。這些差異會對支架基礎設計參數產生很大的干擾，所以在實際建設過程中，選擇支架基礎需要綜合考慮各種因素做出最優選擇。不同的地質條件下，光伏電站建設支架基礎型式也應有不同。

2.1 混凝土獨立支架基礎

混凝土獨立支架基礎是一種常見且穩定的地面支架基礎形式，它通過在地面上挖坑，然后澆筑混凝土來形成基礎。其結構比較簡單、受力清晰，被廣泛應用于早期光伏電站的建設過程。

獨立支架基礎的主要控制因素是抵抗彎曲和抗沖切，光伏支架通過其自身質量和上面覆蓋的土地質量來承擔。混凝土獨立基礎類型上部分的承載比較小，基底基地的承壓力也有限，所以需要管理的重點內容是在風力影響下支架基礎是否會被破壞[2]。為了能夠最大限度支撐支架，基礎填埋過程中就會比較深，這樣造成的后果就是會增加施工過程中開挖土方石的工程量。

混凝土獨立支架在實際使用的過程中，需要選擇土層比較厚而且比較平整的場地，以便進行開挖工作。這種支架基礎受到環境和凝固溫度的影響比較大，在雨雪雪天或者寒冷天氣就無法施工。在施工和養護的過程中還需要用到大量的水，只有具有土建專業有相關經驗的工作人員才能夠進行操作。混凝土獨立支架基礎施工開挖和回填的難度比較大，所用的成本比較高，并會消耗較長的施工時間。電站拆除以后，廢舊水泥和殘余土壤形成的混合物，處理起來的難度比較大，植被需要較長的周期才能夠恢復。

2.2 混凝土條形基礎

混凝土條形支架基礎和混凝土獨立型支架基礎比較相似，其需要控制的主要因素是逆風狀態下被破壞。與混凝土獨立支架基礎不同的是，條形接觸的體型更大，自身質量也比較大，僅是利用支架基礎的自重就能夠滿足防止逆風傾覆的條件，所以開挖前埋的深度比較淺。

混凝土條形支架基礎的基底面積比較大，基地產生的壓力很小，所以適應于地基承載力較差、場地較為平坦、地下水位較低、廠區回填區以及廢棄礦場的回填等不均勻沉降大及要求高的區域。此類基礎由于不均勻沉降從而會導致支架和組件結構的整體穩定性由于受力不均而導致破壞。

條形基礎除了在地面光伏電站中應用比較廣泛之外，在屋頂并網光伏電站中應用也比較多。在屋頂并網光伏電站中，利用其自身質量抵抗支架的上拔力和傾倒力，施工工藝并不復雜[3]。

2.3 鋼制地錨支架基礎

鋼制地錨支架基礎的主體結構采用一根鋼管，在鋼管上按照一定的距離和傾斜角焊接相應數量和之間的葉片，從而構成一個螺旋狀體的結構。按照是否具有向外延伸的葉片以及葉片的連續性，將鋼制地錨支架基礎分為無外伸葉片和連續螺旋葉片、間斷雙層螺旋葉片以及間斷多層螺旋葉片等類型。

在實際施工過程中，需將鋼制地錨旋轉鉆入泥土，通過打樁機對樁頭施加扭矩，使其形成豎直向下的力旋轉成樁體。這種樁體強度比較高，且樁尖形成擴大頭。這種鋼制地錨的施工速度相比于其他類型的支架基礎要快得多，而且承載力比較大[4]。

鋼質地錨支架基礎是采用撞擊直入地下承重，所以在很大程度上可以提高施工效率降低，避免由于施工時間過長，溫度產生變化對施工條件的限制，而且施工過程中不需要水源施工，噪聲也比較小、操作簡單，施工工人通過培訓之后就可以進行施工作業。在實際施工的過程中還可以根據項目的進度對施工人員數量進行更改，降低施工成本。

鋼質地錨支架基礎受力特點是利用葉片上覆蓋土層的質量和自身的剪切力以及和土壤的摩擦力來抵抗支架的上拔力，所以這種類型的支架基礎對于土層的密實度要求比較高。這種支架基礎在施工時具有一定獨特性，比較適合地形平整、風化巖石厚度比較大的地區進行使用。如果地形的坡度比較大，可能會由于施工機械設備的原因，導致基礎定位產生比較大的誤差。如果土層密實度不足，也會增加水平承載力不足而導致樁坍塌的風險。如果土層中存在數量比較多的巖石，在施工的過程中會難以進入土壤內部，容易損壞鋼制地錨。

使用鋼制地錨支架基礎，能夠在施工過程中有效提高施工效率，不存在開挖面，還能減少土石開挖量。鋼制地錨直接和地基土壤接觸，所以對腐蝕性的敏感程度比較高，為了提高抗腐蝕性，需要采用鍍膜比較昂貴的材料，由此導致成本增加。然而鋼制地錨的機械化施工成本比較低，在施工的過程中不需現場攪拌，混凝土也不需要澆筑，能夠極大地降低勞動力成本。

2.4 植筋基礎

植筋基礎一般是把熱軋肋鋼筋固定于灌細石混凝土的巖石孔洞內，借助巖石、細石混凝土、帶肋鋼筋之間的粘結力來抵抗上部結構傳來的外力，由設置于巖土中的錨桿和與錨桿相連的混凝土承臺或型鋼承壓板共同組成基礎。

對基巖比較完整、風化程度不高的光伏電站，可以采用植筋支架基礎。這種支架基礎受到的破壞通常是由于植筋鋼筋的拉斷或者是植筋膠粘力不足，導致鋼筋從筋孔中拔出，或者是由于巖石本身強度不足，導致剪切力破壞。因此，需以其中抗力比較小的一種工況作為支架基礎的設計控制工況。

支架基礎的施工流程為定位→鉆孔→清洗孔洞→鋼筋處理→澆筑→植筋→固化養護→進行抗拔試驗→綁扎鋼筋澆筑混凝土[5]。從整體上來看，該技術施工工藝比較簡單，能夠運用于基層比較完整的石漠化光伏電廠，在部分廢棄礦場中較厚的混凝土地面或者是原有大型設備基礎的區域也能夠使用。該技術能夠最大化利用廠址內的現有條件，有利于降低施工成本和工程投資。

2.5 巖石錨桿基礎

巖石錨桿和植筋基礎比較類似，遭到破壞的原因有以下3點：①鋼筋和灌漿混凝土的粘結程度不夠，導致鋼筋從混凝土中被拔出。②用混凝土和基巖的連接程度不足，導致鋼筋和混凝土整體從錨桿孔中被拔出。③巖體強度不夠或者存在結節，導致巖體本身的破壞鋼筋、灌漿混凝土以及部分巖體被拔出。

巖石錨桿基礎主要用于巖石裸露、完整性比較差的地質中，其施工過程需要人工打孔、灌漿，然后澆筑基礎頂部混凝土。原始錨桿基礎充分利用了錨桿抗上拔力的特點，能夠有效降低工程量。

2.6 預制樁基礎

預制樁是在工廠或者是施工現場制成的各種材料、各種形式的樁，比如混凝土方樁、預應力混凝土管樁等。預制鋼筋混凝土樁打入土中后，頂部預留鋼板或螺栓與上部支架前后立柱連接。

預制混凝土樁是光伏支架基礎中常見的一種形式，具有良好的抗彎曲和抗壓能力。這種支架基礎的直徑一般大于30 cm，而且樁體比較長，在壓入土層后能夠充分發揮出抵抗上拔力和抗壓能力。能保證樁基礎水平承載力的數值大于光伏支架基礎的反作用水平力。

預制樁支架基礎應用的范圍比較廣泛，在沿海灘涂地區和漁光互補的光伏電站應用比較多。這種基礎支架在施工過程中，需要通過打樁機將重鐵打入地基之中，所以適用于地形相對平坦、土層比較厚的地質環境中。在選擇預制樁之后，樁頂部分預埋件和支架進行連接時，需要采用焊接的方式連接，并做好防腐工作，以延長使用時間[6]。

這種類型支架采用工廠標準化的加工預制，具有成熟的工藝和完整的質量管理體系，易于控制樁身質量，預制樁運輸和安裝比較方便，樁長程度不受限制。采用沉樁機械壓軸施工，具有很高的機械化程度，綜合效益高。樁基礎施工采用靜壓沉樁，噪聲比較小，且不需要現場開挖和澆灌，可以應用于對環保要求比較高的地區。

2.7 微孔灌注樁基礎

微孔灌注樁基礎的抗壓能力比較強，抗拔能力也比較突出。這種類型支架基礎的主要特點，就是對光伏支架筑底的反作用力能起到非常有效的抵抗作用，且在實際施工過程中的工程量比較小。在施工場地合適的情況下，應優先采用這種形式的支架基礎來保障工程進度。

在打造小體積灌注樁基礎時，不僅要依靠樁支架基礎的設計方式對橫向和縱向的載荷力進行綜合考量，還需要考慮到直徑比較小的樁基礎的特性，準確核算樁基礎本身承載力、抗彎曲能力各種指標，然后進行精準管理。通過對多種支架基礎類型探究和分析出橫向負載力是微孔灌注樁基礎的重要控制因素。微型灌注樁施工工藝并不復雜，基本流程是打孔→綁扎鋼筋→注漿→振搗。

微孔灌注樁基礎能夠適應的土質類型比較多，可以應用于比較厚的土層，土夾石土層中也能夠應用。但是這種支架基礎樁身混凝土用量和鋼筋用量比較大，且需要花費比較長的時間養護，施工成本比較高。在施工時其對周圍區域的植被破壞比較嚴重，而且這種技術形成后不容易清除，對自然環境的影響比較大。

2.8 鋼螺旋樁基礎

這種支架基礎成孔比較方便，能夠根據地形調整基礎頂面的高度，不受地下水的影響。該基礎在冬季也能夠順利施工，施工速度比較快，能夠靈活調整出高度，對自然環境的破壞力比較小，不必填挖土方工程，不需要平整場地。這種類型的支架基礎適用于沙漠、草原、灘涂、戈壁、凍土等環境中。但其鋼梁較大，造價相對比較高，且不適用于腐蝕性比較強的地基和巖石地基中。

鋼螺旋樁基礎可以在工廠內預制，在施工現場安裝操作比較靈活，且定位準確。在植入樁體完成以后，無需拆模養護的工序，能夠直接進行支架和組件的安裝，安裝工序緊湊，施工速度比較快。樁體鋼制材料還能夠重復使用，可拆卸和移動性比較強，電站被拆除之后，能夠迅速復原植被，具有很高的環保性能。

3 結束語

并網光伏電站的占地面積比較大，土質類型比較多元化，為了延長電站的使用年限，就必須要選擇適合的支架基礎。本文主要對比了幾種比較常見的支架基礎類型的優點和缺點以及適用地質，以期能促進并網光伏電站支架基礎的技術進步。

參考文獻

[1] 羅劍鋒，徐濤，劉華斌，等.光伏電站組件支架基礎灌注樁施工技術和質量管控[J].建筑技術開發，2023，50（6）：148-150.

[2] 江賽雄，趙婷婷，嚴旭.垃圾填埋場地光伏支架基礎設計研究[J].電力勘測設計，2022（4）：65-70+88.

[3] 陶興南.“農光互補”光伏電站支架基礎結構選型對比分析[J].安裝，2022（3）：71-72+80.

[4] 聶曉鵬.山地光伏電站用單立柱和雙立柱光伏支架結構的受力對比分析[J].太陽能，2021，（10）：59-63.

[5] 戴維斯，楊帆，牛延宏.地面光伏電站支架基礎選型與設計[J].工程建設與設計，2021（16）：22-24+32.

[6] 張永杰.光伏電站支架基礎型式對比分析及選型措施[J].大眾標準化，2021（13）：79-81.