光伏支架差異凍脹融沉偏移對光伏組件發電量影響的研究

呂 妍，張慧琪，張 謐，王 迪，付世博，田航臣

(1.東北石油大學物理與電子工程學院，大慶 163318；2.中國石油海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028；3.東北石油大學土木建筑工程學院，大慶 163318)

0 引言

可再生能源發電的全球平均發電成本已降至化石能源發電成本范圍內，預計2030 年迪拜、墨西哥、秘魯、智利和沙特阿拉伯等國家的光伏發電成本可低至0.03 美元/kWh[1]。隨著光伏發電技術持續優化，其成本還將繼續下降，這為黑龍江省大慶地區這類傳統工業區發展清潔能源產業提供了良好的機遇[2]。

目前，大慶地區新建的大型光伏發電項目以地面光伏電站為主，通常布局在城市周邊的開闊平坦的鹽堿地、非基本草原等難以作為耕地使用的土地上，而在這類土地上建設光伏電站會對電站造成不利影響。從環境因素對電站的影響來看：一方面，東北嚴寒地區鹽堿地的腐蝕和凍脹融沉會對光伏支架和支架基礎的穩定性產生較大影響，隨著季節性土地凍融，地下水的熱遷移運動將導致光伏支架及其基礎發生位移，最終造成光伏組件安裝傾角偏移；另一方面，大慶地區屬于北溫帶大陸性季風氣候區，受蒙古內陸冷空氣和海洋暖流季風的影響，其春秋兩季的風力強盛，全年風力大于6 級的天數超過30 天，光伏支架結構存在形變隱患，風的干擾亦給光伏組件帶來安裝傾角偏移的結果。

國內外學者針對光伏支架承載力、穩定性及其受風、雪荷載等的影響開展了大量研究，研究結果表明：光伏支架結構的形變會對光伏組件安裝傾角偏移產生直接影響[3-7]。然而，關于光伏組件在光伏支架凍脹融沉偏移影響下發電性能改變的研究報道相對較少。在季節性凍土地區，施工過程中應注意光伏支架基礎的防凍脹措施，好的措施可以充分發揮防凍脹的作用，減少或消除凍脹影響，縮短施工周期。因此，開展光伏支架凍脹融沉偏移對光伏組件發電性能影響研究，可為了解季節性凍土等復雜地質情況下的光伏發電特性提供參考?；诖?，本文以建于大慶地區的國家光伏、儲能實證實驗平臺(大慶基地)二期工程項目為例，采用光伏支架因土基差異凍脹融沉引起的偏移程度表征光伏組件安裝傾角偏移量，利用光伏發電系統設計軟件PVsyst 7.2 開展光伏支架凍脹融沉偏移對光伏組件發電量影響的分析。

1 大慶地區的氣象資料

大慶市位于高緯度低海拔地區，具有較豐富的太陽能資源，光照充足，降水偏少，冬季寒冷漫長，夏秋涼爽。大慶市的年平均氣溫為4.2℃，最冷月的平均氣溫為-18.5 ℃，極端最低氣溫為-39.2 ℃；最熱月的平均氣溫為23.3 ℃，極端最高氣溫為39.8 ℃；年均無霜期為143 天；年均風速為3.8 m/s，全年風力大于6 級的天數超過30 天；年降水量為427.5 mm、蒸發量為1635 mm，年干燥度為1.2；年日照時數為2726 h，年總太陽輻射量在4800～5000 MJ/m2之間。通過公式計算及查詢相關文獻，得到大慶地區光伏組件的最佳安裝傾角為41°，方位角為正南方向[8]。國家光伏、儲能實證實驗平臺(大慶基地)二期工程項目的光伏場區位于大慶市大同區高臺子鎮境內，在長崗子村東部，為平原地形，地勢開闊，大致呈狹長型分布，南北長約為9.0 km，東西最寬處約為0.8 km，整個光伏場區的占地面積約為6.1 km2，具體如圖1 所示。

圖1 光伏場區地形圖Fig. 1 Topographic map of PV field area

但該光伏場區的特點是地下水位較高，地質屬于嚴寒地區的季節性凍土，傳統的光伏電站施工工藝與方法在此處已不適用。

2 差異凍脹融沉情形下的光伏支架偏移

本文中的光伏支架基礎以預應力高強混凝土(PHC)樁為例進行分析。在凍土地質條件下，冬季時樁基礎易發生不均勻凍脹抬升，而在春季時，由于氣溫升高，支架基礎又會產生融沉現象，出現差異凍脹融沉情況，從而導致光伏支架發生偏移，進而改變光伏組件的安裝傾角，增加維護成本，降低光伏組件使用壽命和光伏電站的發電效率。凍土發生差異凍脹融沉情形下光伏支架的偏移示意圖如圖2 所示。圖中：H1為向陽面的凍結區厚度；H2為背陽面的凍結區厚度。

圖2 凍土差異凍脹融沉下光伏支架的偏移示意圖Fig. 2 Schematic diagram of deviation of PV brackets under differential frost heave and thaw settlement in frozen soil

當凍土處于負溫環境時，孔隙中的部分水分會凍結成冰，導致土體原有的熱平衡和力學平衡被打破，土中各相成分的受力狀態發生變化，土骨架受拉分離，土體體積逐漸增大，發生凍脹現象[9]。發生凍脹現象后，土壤中的液態水變成冰，由于冰對土顆粒的膠結作用，從而加強了土體的承載性能，但因凍脹變形破壞了原有的力學平衡，會對支架基礎形成上拔作用，對其上部結構造成不利影響[10]。因此，需要在室內利用凍融循環機進行土體凍脹試驗，得到隨溫度降低土體體積應變的變化情況(如圖3 所示)，然后在此基礎上，結合大慶當地的氣象歷史條件來設置土體溫度變形系數，以便更好地模擬當地的凍土情況。

圖3 隨溫度降低土體體積應變的變化Fig. 3 Variation of soil volume strain as temperature decreases

使用ANSYS 程序建立PHC 樁基礎－土體有限元模型，利用Solid187 四面體單元對模型進行離散化處理，并在樁基礎與土體交界處、PE套管與土體交界處引入精細化網格，如圖4 所示。模型中，土壤被理想化為一個高7.8 m、直徑為4 m 的圓柱體，將其從上到下切分為3 個部分，分別是凍脹性粉質粘土、粉質粘土和中砂；PHC樁基礎的內、外徑分別為160 和300 mm；PE 套管的直徑為355 mm、壁厚為8 mm。

PE 套管作為PHC 樁基礎外套是國家光伏、儲能實證實驗平臺(大慶基地)二期工程項目建設過程中處理地基凍害的一項試驗性措施，其主要原理是：在地基土凍深范圍內，利用PE 套管減小PHC 樁基礎發生凍拔時的位移，從而減少樁基礎上部光伏支架的凍脹變形量。假設PE 套管無破壞失效，且其在發生明顯凍拔后仍能及時歸位。由于PE 套管的大部分結構長期處于土壤靜壓環境下，根據其力學性能，隨著時間的推移易產生蠕變和應力松弛現象，因此逐次改變PE套管的性能參數后對光伏支架和基礎體系進行差異凍脹融沉下光伏支架的偏移量模擬。光伏電站壽命周期內差異凍脹融沉下光伏支架的偏移量模擬結果如圖5 所示。

圖5 光伏電站壽命周期內差異凍脹融沉下光伏支架的偏移量模擬結果Fig. 5 Simulation results of offset of PV brackets under differential frost heave and thaw settlement in frozen soil during life cycle of PV power station

從圖5 可以看出：光伏支架在差異凍脹融沉的影響下最大偏移量可達到18°，這也意味著光伏組件的安裝傾角會發生最大18°的偏移。

3 差異凍脹融沉對光伏組件發電量的影響

3.1 模擬結果分析

以采用單樁基礎的固定式光伏支架作為研究對象，用光伏支架因土基差異凍脹融沉引起的偏移程度表征光伏組件安裝傾角的偏移量。采用光伏發電系統設計軟件PVsyst 7.2 開展差異凍脹融沉對光伏組件發電量影響的分析。

光伏組件參數選用軟件自帶的由隆基光伏科技(香港)有限公司生產的550 W 單晶硅光伏組件的參數，光伏組件初始安裝傾角設置為41°，初始方位角設置為0°(對應北半球的正南方向)，站點選擇大慶地區，仿真參數設置如圖6 所示。

圖6 仿真參數設置Fig. 6 Simulation parameter settings

由上文可知，在大慶地區，差異凍脹融沉會造成光伏組件安裝傾角最大偏移量達到18°，分別選取春分、夏至、秋分、冬至這4 個典型日，分析光伏組件安裝傾角偏移對其發電量的影響，結果如圖7 所示。需要說明的是，圖中橫軸的0°代表的是光伏組件的初始安裝傾角41°；負號代表光伏支架是向后傾斜(即“發生負偏移”)；正號代表光伏支架是向前傾斜(即“發生正偏移”)。為降低單塊光伏組件模擬結果存在的不確定性，選擇對多塊光伏組件進行模擬，光伏組件的總裝機容量為5.5 kW。

圖7 不同光伏組件安裝傾角偏移量下的日發電量和年總發電量Fig. 7 Daily and total annual power generation capacity under different installation inclination angle offsets of PV modules

從圖7 可以看出：

1) 4 個典型節氣下，除春分和秋分時，光伏組件安裝傾角變化對其日發電量的影響規律較為相似外；春分(秋分)、夏至、冬至時，光伏組件安裝傾角變化對其日發電量的影響規律存在較大差異，這主要是由不同節氣時不同太陽高度角下直接輻照度與光伏組件安裝傾角耦合作用造成的。

2)在春分和秋分時，光伏組件安裝傾角變化對其日發電量的整體影響較小，光伏組件安裝傾角發生負偏移時的發電量低于其發生正偏移時的發電量，當偏移量為-18°時，光伏組件日發電量分別降低5.0%和6.7%。

3)在夏至日，當光伏組件安裝傾角偏移量在-18°～18°范圍內變化時，光伏組件的日發電量隨光伏組件安裝傾角負偏移量的增大而上升，隨光伏組件安裝傾角正偏移量的增大而下降；當安裝傾角偏移18°時，光伏組件的日發電量降低19.32%。

4)與夏至日相比，冬至日時光伏組件的日發電量隨安裝傾角偏移量的變化情況恰恰相反，安裝傾角偏移-18°時，其日發電量降幅最大，達到22.64%。

5)雖然不同節氣下，光伏組件安裝傾角發生偏移后其發電量最大值均不是在其采用初始安裝傾角時，但通過分析年總發電量可知，在初始安裝傾角下光伏組件的年總發電量仍是最高的，安裝傾角正偏移對年總發電量的降低程度低于負偏移時。

3.2 改進措施

對于在凍土區建設的光伏電站，考慮到差異凍脹融沉對光伏組件發電量造成的不利影響，需對光伏支架、支架基礎、光伏發電設備做相應的抗凍措施，然后根據實證和試驗研究各種場地下光伏電站的抗凍脹施工方案。當有多個備選方案時，可通過軟件預算每種方案時光伏電站的基礎設計及抗凍脹措施成本，根據試驗和實證客觀檢驗各種基礎設計和抗凍脹措施的效果。綜合上述結果，評定每種光伏支架基礎設計和抗凍脹措施，提出適用于項目地的方案。

4 結論

本文以建于大慶地區的國家光伏、儲能實證實驗平臺(大慶基地)二期工程項目為例，針對該地區季節性凍土存在的差異凍脹融沉現象，以光伏支架因土基差異凍脹融沉引起的偏移程度表征光伏組件安裝傾角偏移量，利用光伏發電系統設計軟件PVsyst 7.2 開展了光伏支架差異凍脹融沉偏移對光伏組件發電量影響的分析。分析結果顯示：在不同節氣下光伏組件日發電量隨安裝傾角變化呈現不同的變化規律；雖然不同節氣下，光伏組件安裝傾角發生偏移后其發電量最大值均不是在其采用初始安裝傾角時，但通過分析年總發電量可知，在初始安裝傾角下光伏組件的年總發電量仍是最高的，安裝傾角正偏移對年總發電量的降低程度低于負偏移時。在高緯度、低海拔的季節性凍土條件下，由于光伏陣列的存在，導致基礎周邊土體在凍結和融化期會出現不均勻變形，以期通過開展光伏支架及樁基礎差異凍脹融沉偏移研究為保障光伏組件使用壽命和光伏電站發電效率提供參考。