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论光伏发电支架基础设计方法

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：肖江奇弓卫

[导读] 摘要：在许多可再生能源中，太阳能是最丰富、分布最广、取之不尽、用之不竭的资源。

        (陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安 710001)
        摘要：在许多可再生能源中，太阳能是最丰富、分布最广、取之不尽、用之不竭的资源。就我国目前的太阳能转化技术而言，虽然与发达国家仍有较大差距，但同样的效果也显著缓解了我国的能源短缺问题。可以根据不同地区的不同情况进行推广和推广。虽然光伏电站建设周期相对较短，但由于定性投资较高，需要较长时间才能收回成本。支撑是光伏电站建设的重要因素，是保证光伏电站正常使用的前提，也是保证光伏电站安全可靠运行的基础。
        关键词：光伏电站；支架；基础设计；
        随着我国经济的迅猛发展，我国能源紧缺和环境污染问题日渐严重，基于此，开发利用新能源以此缓解我国能源紧缺问题势在必行。而光伏电站便是一种新的电能生产方式，它同其它清洁能源一样，无污染、无噪音、维修方便，正因为这样其具有广阔发展空间和应用前景，甚至于可以说其是目前最具潜能的新能源开发领域。在一般情况下光伏发电规模相对较大，基于此，光伏电站具有以下特点，数量众多，支架上部荷载较小，基于此在光伏电站支架及基础设计过程中必须综合考虑各方面因素，后续工作才能顺利完成。
        一、光伏电站优点
        光伏电站建设需要综合考虑各方面因素。例如：地形条件、太阳能丰富程度，在无特殊情况下，建设光伏电站的地区多为沙化或是石漠化山地，地表起伏不平，形态各异，可以安装大小不等光伏组件。在上述中也提及到光伏电站建设成本较大，但是土地成本相对较低，因为地处人烟稀少地区，所以管理方面，受外界因素也比较小。以山地光伏电站为例进行分析，其受地势形态影响，同处于戈壁滩或者是沙漠等地区的光伏电站比较后发现，前者布局欠合理加上自然协调性较差，将直接导致系统损耗大，设计、施工工作也难以顺利进行。换一种方式来说，新形势下如若要建设山地光伏电站，首要条件便是克服因自然因素给光伏电站建设带来的影响，综合考虑各方面因素，当然其中也包括协调性、经济性等其它因素。
        二、光伏电站支架设计难点
        光伏电站支架设计中需考虑的因素：其一，方阵设计，在上述中也提及到光伏电站建设要考虑地形因素，在支架设计中同样如此，必须考虑好安装方式、方阵基础等因素，只有这样光伏电站支架设计工作才能顺利进行，确保光伏电站方阵与支架完美匹配，既保证了土地充分利用，也确保光伏电站效用能够充分发挥出来。其二，组件选择和支架布置设计，如何根据自然条件和国家相关标准，选择安全系数高和经济性能高的设备，例如：支架布置方案、系统防雷接地等，只有这样光伏组件和光伏电站支架才能有效匹配起来，系统效率才能最优化处理。再有光伏电站支架设计过程中需要考虑场内道路、消防，最大限度降低光伏电站因受外在因素产生的不必要损失。同样光伏电站支架设计难点也多表现在多个方面：其一，支架假设难度比较高，受各种因素影响。在一般情况下，光伏电站选址地方先前都是未经开发，因而地表起伏程度难以确定，如若处理不当极容易形成不同于平地的山风，此时就需要对支架承载力或者是抗拔力进行预测，但是就我国目前光伏电站发展现状来说，关于这方面技术还有待提高。其二，光伏电站施工成本相对较高，众多周知，光伏电站支架对基础的强度要求比较高，换一种方式来说，施工过程中对机器设备、原材料等都有特殊要求，如果将光伏电站建于风化岩或者是白云岩地区，无疑都会加大施工难度，建设成本直线上升，这是我国光伏电站支架设计的又一难点所在。
        三、光伏电站支架及基础设计
        通过分析不难得知，光伏电站工程条件复杂，在建设场内有冲沟、岩石，若处理不当将会引发塌方。

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基于此，在光伏电站支架及基础设计过程中，除了依据实际情况制定行之有效建设计划外，还需要综合考虑材料、设计结构等多方面因素，依据多方面数据精确计算出光伏电站支架在有或者无地震效应时的风荷载、雪荷载下支架横梁的弯曲程度和弯曲量，安装螺栓的强度等，只有这样才能充分适应地形变化。再有，光伏电站基础设计，同样也要考虑诸多因素，设计强度必须符合建设要求，尤其要选择对地表扰动相对较小的基础形式，既经济又实惠。就我国目前实际情况来看，我国光伏电站基础设计主要有：微型钢管桩基础、锚杆式基础、混泥土基础等。
        四、光伏支架基础参数取值
        光伏支架基础设计应根据地勘资料和施工因素选取合适的支架基础类型，设计需要考虑几个方面：地基承载力、抗倾覆设计、抗滑移设计、抗拔设计等，进行基础上拔和倾覆稳定验算时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，分别采用与土抗力有关的设计稳定系数KS和与基础重力有关的设计稳定系数KG。其中KS用于按锥形土重来验算抗拔力或按极限土抗力来验算抗倾覆力矩。KG用于按基础自重及基础台阶上土重来验算抗拔力或抗倾覆力矩。目前我们设计的支架基础埋深较浅，多符合KG按基础自重及基础台阶上土重来验算抗拔力或抗倾覆力矩，长期荷载效应取1.15，短期荷载效应取1.0。抗滑移系数还是取1.3。屋面光伏和地面光伏取值相同。光伏基础当采用了短桩基础，为了适应光伏支架结构这种压力较小同时上部结构允许变形较大的特殊情况，可以适当放宽《建筑桩基技术规范》（JGJ94）中有关桩端入土深度的构造要求，但是短桩基础的桩端进入持力层最小深度必须满足桩基础的承载能力计算和稳定性验算要求，必要时通过单桩试验确定。对存在负摩阻力的短桩基础，尤其应进行验算。在季节性弱冻涨土和冻涨土中桩端进入冻深线以下的深度，应满足抗拔稳定性验算要求，且不得小于1倍桩径，同时最小深度不得小于1.5m；对强冻涨土、特强冻涨土和膨胀土地基中桩端进入冻深线或膨胀土的大气影响急剧层以下的深度，必须满足《建筑桩基技术规范》（JGJ94）中的相关构造要求。因为光伏上部支架竖向压力一般较小，因此在短桩基础计算中一般是上拔力和水平荷载对短桩基础起设计控制作用，尤其是季节性冻土和膨胀土地区的短桩基础设计，应考虑地基土的冻胀、膨胀作用，对桩基的上拔承载力进行验算。其设计还应符合下列规定：①所有短桩基础均应进行抗倾覆、抗滑移、抗拔和桩身强度计算。对于预制管桩尚应进行运输、吊装和锤击等过程的强度和抗裂验算。②同一结构单元内的短桩基础，不宜采用部分摩檫短桩和部分端承短桩。
        五、安全性保障
        提及到光伏电站要不是设在沙漠化地带就是在海拔较高的地方，例如：对于山地光伏电站来说，如果防雷措施没有落到实处，光伏电站遭遇雷击的几率将直线上升。基于此，整个光伏电站应当充分好支架基础做好相关金属接地网工作，在条件允许情况下将光伏电站所有地网都连接在一起，这样能够将电阻最小化处理。与此同时还需要做好接地极工作，在各方面都得到保障情况下，延长光伏电站设计寿命，以此降低运营风险或者维护成本，更好作用光伏电站发展。再者，光伏电站支架及基础设计过程中各组串工情况不同，这就需要在光伏设计时综合考虑各方面因素，并对相关技术参数实时操控，在这个基础之上结合光伏电站支架特征，安装能发现组串、汇流箱等信息的计算机软件，当光伏发电相关设备出现故障时，能够在最短时间内予以解决，将损失最小化处理。
        总之，光伏发电是目前国内外开发利用新能源和可再生能源的重要内容，近年来，我国加大了对太阳能光伏的推广和应用。在太阳能光伏的应用中，光伏组件支架设计是确保太阳能光电组件安全性、使用性的关键。光伏发电作为新能源发电的主力军，近几年发展迅速。光伏发电根据铺设地的不同分为地面光伏、屋面光伏、农光互补光伏、渔光互补光伏等，其主要组成部分有太阳能板、纵横向钢支架、基础等。土建是光伏发电的重要组成部分，通过合理支架基础选型、合理的基础参数取值及风荷载计算参数取值，通过验算地基承载力、抗倾覆设计、抗滑移设计、抗拔设计等，得出既经济又安全，节能又环保的基础方案。
        参考文献：
        [1]刘军.太阳能光伏电站运行管理模式分析.2017.
        [2]陈杰,浅谈光伏发电支架基础设计方法.2017.