水面光伏超大跨支架結構設計及技術應用分析

摘" 要：近年來，隨著全球能源短缺和環境惡化加劇，發展新能源成為國家能源結構改革重要內容。作為一種清潔可靠的新能源，太陽能電站的建設和運營備受關注。該文以國內某坑塘水面光伏電站為背景，重點分析一種光伏電站柔性支架的結構方案、建模設計方法、結構構件選型及成本組成等內容，結果顯示該種柔性支架結構方案可以實現東西方向和南北方向大跨距要求，尤其是東西方向跨距超過40 m；支架結構主要包括承重鋼索結構、中梁結構、邊梁結構、斜拉錨桿結構、三角撐桿和基礎結構等；結構截面選型能夠滿足結構強度、剛度、穩定性的要求；而且，對于平坦地貌大連片應用場景，綜合考慮所有土建成本，柔性支架光伏電站經濟性略高于固定支架；進一步考慮柔性支架土地利用效率和土地復合利用價值等附加價值，柔性支架光伏電站經濟性將顯著高于固定支架。

關鍵詞：光伏電站；光伏支架；大跨度；柔性結構；設計方法

中圖分類號：TM615" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0121-04

Abstract： In recent years， with the global energy shortage and environmental deterioration， the development of new energy has become an important part of the national energy structure reform. As a clean and reliable new energy， the construction and operation of solar power stations have attracted much attention. Based on the background of a domestic Kengtang surface photovoltaic power station， this paper focuses on the structural scheme， modeling and design method， structural component selection and cost composition of a flexible support for photovoltaic power station. The results show that the flexible support structure scheme can meet the requirements of long span in east-west direction and north-south direction， especially the span in east-west direction is more than 40 m. The support structure mainly includes load-bearing cable structure， middle beam structure， side beam structure， cable-stayed anchorage structure， triangular brace， foundation structure， etc; the selection of structural section can meet the requirements of structural strength， stiffness and stability; moreover， for large-scale application scenarios with flat landform， considering all the civil construction costs， the economy of flexible support photovoltaic power station is slightly higher than that of fixed support. This paper will further consider the additional values such as land use efficiency and land compound use value of flexible support， the economy of flexible support photovoltaic power station will be significantly higher than that of fixed support.

Keywords： photovoltaic power station; photovoltaic bracket; long span; flexible structure; design method

隨著世界各國對新能源需求的不斷增長，光伏電站的建設規模和效益也不斷提高。然而，隨著大量大型光伏電站的不斷建設，傳統光伏支架的劣勢也日益凸顯，包括對環境干擾大、土地復合利用的價值不高等等。近期出現一種大跨度的柔性光伏支架，由于具備跨度大、基礎少等顯著優勢，越來越受到業主方的青睞。也有工程師和學者逐漸關注柔性支架結構的可靠性和經濟性。例如，李立等[1]針對坡度較大的上坡地塊，探討了柔性光伏支架的可行性和經濟性，發現柔性支架結構具有最好的經濟性，適合較大斜坡光伏電站，為類似場景的光伏電站項目提供了參考。寧勇平等[2]以某個污水處理廠光伏電站為研究背景，重點介紹了一種柔性支架結構的設計內容和方法，詳細闡述了污水處理廠光伏電站總體方案設計、電氣接入、發電量預測等方面的內容。王雨[3]針對地形條件較差地區，對光伏柔性支架技術方案進行了探討，并提出了設計建議。王澤國等[4]采用有限元軟件，對大跨度柔性光伏支架進行建模，重點分析了脈動風作用下柔性支架的動力響應。牛斌[5]分析了柔性支架在光伏發電工程中的潛在應用場景，指出對應的條件限制和不足之處。馬文勇等[6]通過剛性模型測壓風洞試驗，系統研究了光伏電站關鍵參數，包括傾角、間距比、安裝位置等，對光伏組件風荷載的影響規律，為柔性支架結構抗風設計提供了數據支撐。尚仁杰等[7]分析了柔性支架結構的非線性效應，推導了平衡狀態時柔性支架結構切線剛度等計算方法，研究成果對于柔性支架受力分析和結構設計具有參考意義。周潤[8]以某具體工程項目為研究對象，探討了柔性支架的適用性。

本文以我國中部地區某坑塘水面光伏電站為背景，詳細介紹了一種光伏電站超大跨度柔性支架的結構方案、建模設計方法、關鍵結構構件材料選型及成本對比分析等內容。

1" 項目背景情況

本次研究以湖北某100 MW光儲漁業一體化電站項目為對象進行結構設計和技術應用分析，項目紅線如圖1所示。該項目位于湖北省荊州市監利市，利用漁場坑塘水面，發展特種漁業養殖，同時合理利用魚塘水面上方空間鋪設光伏組件建設光伏電站。場址土地性質為坑塘水面，主要為平坦地貌，海拔高度約為23.5～30.5 m，局部為田間沖溝、凹地，地形起伏不大，整體平緩。項目擬采用漁光互補形式進行開發建設。電站項目總裝機規模100 MW，一次性建成，土建方面計劃采用柔性支架為主進行建設，配套新建110 kV升壓站1座。

根據當地氣象資料，該地區25年重現期基本風壓荷載為0.31 kN/m2、雪荷載為0.33 kN/m2， 50年重現期基本風壓荷載為0.35 kN/m2、雪荷載為0.40 kN/m2。

2" 技術方案及結構設計

本項目采用深圳市安泰科清潔能源股份有限公司的柔性支架，方案如圖2所示。支架方案東西方向跨度為41 m，每一跨包含32塊光伏組件，南北方向跨度為10 m。柔性支架結構主要包括索結構、中梁結構、邊梁結構、斜拉錨固結構、三角撐桿結構和基礎結構等。其中，3根東西走向的鋼索結構為光伏組件主要承重結構，上層2根鋼索通過扣件與光伏組件相連，直接支撐光伏組件，下層鋼索沿東西方向呈魚腹式空間走向，通過間歇布置的三角撐桿結構為上層鋼索提供部分豎向支撐。鋼索在最東和最西邊通過鋼絞線錨具錨固于邊梁之上，中間區域由中梁支撐。邊梁采用斷開梁如圖2（b）所示，邊梁東西兩側由2根斜拉錨桿斜向錨固于邊錨基礎之上。每一排光伏組件的邊梁由2根樁基礎支撐，對應2個邊拉錨桿和邊錨基礎，如圖2（a）所示。中梁沿南北走向，由H型鋼制作而成。中梁由中樁基礎和斜撐結構支撐，如圖2（c）所示，每2排光伏組件布置一根中樁，因此中樁跨距為10 m。中梁上方布置與東西走向鋼索的連接節點。為了滿足最佳傾角的要求，北側連接節點需設置抬高件。由于柔性支架跨度大、結構柔，對風荷載作用十分敏感，為了抑制結構系統風致振動問題，在三角撐桿結構所在截面位置，沿南北方向布置抗風穩定系統。抗風穩定系統主要由上下2根穩定鋼索結構組成，鋼索結構貫穿南北，并錨固于最南和最北端部的穩定樁和穩定錨樁基礎之上，確保具備充足的抗水平承載能力。

為了確保結構具有足夠的設計強度，采用有限元軟件，建立了如圖3所示的3跨11排分析模型。鍍鋅鋼絞線采用索單元模擬，光伏組件采用實體單元模擬，鋼橫梁結構用實體單元模擬，樁基礎采用梁單元模擬，邊錨結構采用索單元模擬，樁底邊界條件設置為固結，邊錨結構和穩定索兩端邊界條件也設置為固結。將結構恒載、風荷載、雪荷載按照規范要求的形式進行組合并施加于模型之上，計算結構的內力、應力、變形等結構響應，以此檢驗結構具有足夠的剛度、強度、穩定性。

2.1" 鋼索結構

本項目承重鋼索結構采用7股外徑為17.8 mm極限強度1 860 MPa的鍍鋅鋼絞線，經過計算分析，在承載能力極限狀態下，鋼絞線內力為20.5 t，小于0.6倍最小破斷力21.2 t，達到鋼索結構強度的設計要求。鋼索結構是柔性支架結構的核心受力構件，為了進一步保障鋼索結構的耐久性，還對鋼索結構進行了防腐處理。目前鋼絞線結構的防腐處理方式主要包括熱浸鍍鋅防腐、油漆防腐、電弧噴涂防腐等。其中，熱浸鍍鋅防腐主要適用于戶外潮濕程度較高的環境，過程中生產完成的鋼絞線浸入融金屬槽中，對其鍍覆，讓鋼絞線的表面形成鋅材料保護層，起到防腐蝕的效果。油漆防腐工藝在室內環境使用較多，處理工程中需要先將含有純鋅溶劑、改性劑等成分的底漆涂刷于鋼絞線的表面，并讓其充分干固，達到避免腐蝕性介質浸入鋼絞線表面的目的。電弧噴涂防腐法主要用于水中和地底下的構造件，需要先將構件拋光除銹再充分打毛，接著將電孤熔融金屬材料加熱噴涂在事先拋光的構件上，達到抗腐蝕耐磨損的效果。綜合考慮各種防腐措施的優缺點和適用條件，本項目采用熱浸鍍鋅的防腐工藝對鋼索結構進行防腐處理。

2.2" 橫梁結構

中橫梁結構焊接于樁頂之上，并增加2根斜撐輔助支撐，如圖2（c）所示。中橫梁采用H型鋼結構，鋼材強度為Q355。經過分析計算，在承載能力極限狀態下，中梁截面最大應力為235 MPa，低于設計強度305 MPa，滿足強度設計要求。邊梁焊接于2根PHC管樁頂面，鋼材強度為Q355。經過分析計算，在承載能力極限狀態下，中梁截面最大應力為239 MPa，低于設計強度305 MPa，滿足強度設計要求。同時，為了保障結構的耐久性，采用熱浸鍍鋅的防腐工藝對鋼橫梁結構進行防腐處理。

2.3" 三角撐桿

三角撐桿連接柔性支架3根承重鋼索，將3根鋼索結構串聯成一個整體進行受力。本設計方案三角撐桿采用C型鋼作為支撐結構。經過分析計算，在承載能力極限狀態下，三角撐桿最大應力為105 MPa，低于設計強度305 MPa。三角撐桿一根受拉2根受壓，需進行抗壓穩定性分析。根據GB 50017—2017《鋼結構設計規范》和GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》，三角撐桿穩定性滿足要求。

2.4" 抗風穩定系統

由于柔性支架跨度大、結構柔，在風荷載作用下容易發生大幅振動，影響結構安全。為了避免風致振動導致的結構安全和組件安全性問題，本設計方案增設了南北方向抗風穩定系統，由上下2根穩定鋼索和V形撐桿結構組成。通過分析計算，在承載能力極限狀態下，上下穩定鋼索鋼絞線內力為5.5 t，達到鋼索結構強度的設計要求。

2.5" 斜拉錨桿

斜拉錨桿采用精軋螺紋鋼筋或普通鋼筋。由于精軋螺紋鋼的強度可以遠遠高于傳統的螺紋鋼結構的強度，因此相同的材料用量情況下，精軋螺紋鋼可承受更大的荷載；同時，精軋螺紋鋼也具有較好的韌性，即使在較大拉伸荷載作用下仍然能夠保持一定的延性特征；精軋螺紋鋼的疲勞性能也較好，在頻繁承受動力荷載作用的情況下，仍然能夠保持結構完整性，不會發生疲勞破壞；加工性能也好，通過特制螺紋套筒，能夠方便地實現連接和張緊。因此，本項目方案選擇psb930精軋螺紋鋼筋。通過分析計算，在承載能力極限狀態下，精軋螺紋鋼筋應力為304 MPa，遠小于結構的強度指標，因此滿足結構強度設計的要求。

2.6" 基礎結構

本方案為了提高基礎結構施工效率，保障基礎結構施工質量，采用PHC預制管樁作為主要基礎結構。其中，中梁和邊梁結構均采用外徑為400 mm的AB型預制管樁，斜拉錨固樁采用2根外徑為500 mm的AB型預制管樁，根據地勘資料和上部結構傳遞的荷載要求，單根管樁平均長度為14 m。

3" 成本分析與對比

為了討論柔性支架設計方案的經濟性，本文項目柔性支架光伏電站土建基本費用與同等條件下的固定支架土建基本費用進行了對比分析，分析內容包括樁基礎材料和施工費、柔性支架材料費和安裝費，以及柔性支架組件安裝費。對比結果見表1。相同條件下，柔性支架樁基礎材料和施工的總費用約占固定支架樁基礎材料和施工總費用的48.6%，成本降低比例為51.4%；柔性支架的材料費與固定支架材料費相比，增加了40.6%；柔性支架安裝費與固定支架安裝費相比增加了27.3%；組件安裝費與固定支架一致；柔性支架綜合總價比固定支架降低了3.2%。由此可見，在平坦地貌大連片的柔性支架土建綜合建造成本略低于固定支架，如果進一步考慮土地利用效率和土地復合利用價值，柔性支架光伏電站經濟性高于固定支架。

4" 結論

本文以國內某坑塘水面光伏電站為背景，詳細介紹了一種光伏電站柔性支架的結構方案、建模設計方法、結構構件選型及成本組成等內容，主要結論如下：

1）該種柔性支架結構方案可以實現東西方向和南北方向大跨距要求，尤其是東西方向跨距超過40 m。

2）該種柔性支架主要結構包括承重鋼索結構、中梁結構、邊梁結構、斜拉錨桿結構、三角撐桿和基礎結構等。

3）通過有限元分析，柔性支架主體結構截面選型滿足結構強度、剛度、穩定性的要求。

4）柔性支架材料及安裝費用均高于同等條件下固定支架材料及安裝費用，但是柔性支架基礎材料及其施工費用顯著低于同等條件下的固定支架基礎材料及其施工費用；對于平坦地貌大連片應用場景，綜合考慮所有土建成本，柔性支架光伏電站經濟性略高于固定支架；進一步考慮柔性支架土地利用效率和土地復合利用價值等附加價值，柔性支架光伏電站經濟性將顯著高于固定支架。

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