光伏电站支架及基础设计

光伏电站支架及基础设计摘要：中国要想达到碳达峰碳上和，必须大力发展清洁可再生能源。随着“平价上网”时代的到来，十四五期间，我国光伏项目将会有更大的发展机遇和市场。太阳能光伏发电系统中，光电支撑地基是最重要的一环，其选型和设计直接关系到整个项目的造价。本文总结了当前最常用的支持地基的基本类型，研究了其设计要求，并结合工程案例阐述了一些典型光伏电站支撑基础基本的选择和设计。关键词：光伏电站；支架；基础设计引言光伏支撑基础是把放置光伏组件的支撑构件所承担的各项功能传送到地板上的结构部件。与建筑构件的基本比较，光伏电站支撑基本所承担的施工负荷相对较小，虽然设计、施工困难度不大，但由于数量巨大，其安全、经济效益对整体施工质量的影响也较大。因此支撑基本的选型和设计须充分考虑工程地貌要求、地质特征要求、上部支撑构件形式、施工负荷要求、施工工艺等，并应当根据工程工期特点和当地经验情况加以优选与调配。1支架基础形式针对不同的地质要求，光伏支架基础可以有很多种类型。1.1扩展式基础拓展型基石主要有独立基础和条形基础二种。拓展型基石通常使用现浇混凝土，但若是在现场建筑施工较麻烦时，或冬季建筑施工时，还可选择采取工厂制造的方法，以减轻现场风湿作业和维护。由于拓展型基底部体积较大，地基压力小，强度大，稳定性较好，且对地面沉降变化有较好的适应性，用于在受压后，具有较小的弹性模量和较低承载力的软土区域，以及特殊的地质条件，如采面塌陷收缩区、黄土湿陷区、新近回填的欠胶结地[1]。不过，由于扩展型基需要大量建设土地，工作量大，且费用也较高；对土壤表层植被和地貌的损害，也不利于生态；在地下水位较高的地区，施工难度较大。因此，目前在光伏电站基础设计上的应用越来越少。1.2桩基础桩基本类型有水泥灌注桩础、水泥预先准备桩基础施工、钢桩承台等，是中国目前使用最普遍的支撑基本型式。光伏支架使用桩基础时，通常并不设有支承台，而支撑柱则与基座之间采取插接、焊接、预埋锚栓、法兰盘等多种形式相连，或干脆采取与桩柱的一体型式。灌浆桩基本上是采用机械化打孔，其施工工艺简单，人力消耗少，对地面土的破坏和干扰很少，而且可以渗透到坚硬的土层中。根据地形变化，可调节地基顶部的高度。由于采用的灌注桩基桩直径较小，一般采用在干工作土壤中进行钻孔，以满足钻孔施工时不容易发生塌孔的需要。因此不宜使用在软弱土壤、疏松砂土、破碎岩石以及地下水位差较大的场所。而且灌注桩还需要现场浇注水泥，在冬季工地中的维护比较困难，也不能使用。预准备桩基础可在工厂制造，小批量生产，现场无需开挖，浇筑速度快，在冬季浇筑时无需维护，成桩后，桩身品质优良，可根据地基高低调整桩身高度。在生产过程中，可以根据需要加入防锈的外加剂，具有更好的耐用性。适用于粘性土，粉土等。如果遇到砂质土层，则很难进行沉桩，而且易发生偏心或断裂，故不宜采用。同时，在近海潮滩、渔光互补、农光互补等水面光伏电站中也有应用。而混凝土预制桩施工技术主要依靠打桩或压桩机具，适合用在较平顺的区域，但不宜作为山区光伏电站。在偏远地区则还须考虑运输成本。1.3锚杆基础锚索础，是由设置于岩石中的锚索与混凝土支承台础以及型钢承压板构成的基础设施。在岩石地面上的锚索础主要有2种：一类为植筋锚索础，在岩层中钻小孔，然后进行植筋，然后注入粘结剂，将其锚定在岩层中；另一种是岩锚柱，通过在掘进机械的土壤中开一个洞，然后注入水泥或细石水泥，将其固定。对于埋藏较浅或地表暴露的场地，采用锚柱基法，其风化程度要求为中度~无风化，完好无损~结构完整，且有地下水时不宜采用。2支架基础的设计要点支架技术基础的选择、受力分析和设计都与上部支承光伏组件的支撑型式有关。目前，使用较多的支撑形式一般有水平稳定式、倾角可调式、水平单轴跟随式、倾斜单轴跟随式等[2]。固定式支撑可选择双立柱和单立柱二种型式，而另外一些支撑则通常选择单支柱型式。因为相互作用于支撑上的负荷一般是永久荷载、风荷载和雪负荷，在传导到基本顶面时一般是竖向式负荷、水平负荷和弯矩。因此支撑的基本设计需注意以下几点：1）各类别的基础都要经过竖向强度估算。竖向荷载是指相互作用于地基上的重要负荷，直接影响着扩展基的底面积大小、桩基本的桩径和桩长、锚杆基的最大截面积和直径等，对工期影响较大。2）相互作用于基石顶面的水平负荷大部分都是由风荷载形成的。当使用驱动轴承的方式跟踪支撑基石时，还需承担很大的水平推动力。对于桩承台而言，其散射截面长度通常受水准强度限制，可通过m法验算单桩水准强度。当使用单柱单桩承台时，需将桩承台作为压弯构件，按桩体最大弯矩验算其抗弯强度承载力。3）为了环保，以及降低土地挖掘工作量，光伏场区一般不做高场平，所以，地势也经常有起伏。而对于不具有高度可调整功能的上部支架，基础顶高度也有比较严格的规定。此时，为了确保支架的顺利安放，基座实际出地高程会与按理想水平地基测量的实际高程变化，力的作用点也出现了改变。在测量时需充分考虑这些影响做好包络设计，并在初步设计文档中标明基座顶面所允许改变的范围。3典型光伏电站支架基础设计3.1山地光伏电站光伏组件布置方式有竖列2（排）×13（块）和2（排）×16（块）二种型式，均采用固定倾斜度为36°，支架基础为固定支撑，前后列双支柱布局。但鉴于中国山区的地势起伏，坡度不一，太阳能光伏发电系统子单列布局则采用随坡就势，因此支撑基础必须具有相应的高度调整能力，才可以使支撑基础顺应山势而变形，从而达到设计倾角。为此，预埋式钢管桩基础是该项目的选型。灌注桩管径为180mm，根据不同地区的土层厚度，用估计法测定入土深度，采用了1~1.8m深不等，出地面0.1m。混凝土的强度等级C30。管壁厚4.0mm，总长0.6m，共埋设灌注桩0.45m，露出桩顶0.15m。钢管顶端设有一个对穿螺栓孔和四个锁紧螺钉孔，在底部连接着钢笼。在安装时，支承柱的外径比预埋管的内径稍小，将支柱接入管道后，选取正确的排孔部位，并装配上对穿定位螺钉，再采用锁紧螺钉固定，在完成安装后涂一层防锈涂料。通过调节立柱在预埋管线中的深度，可以使立柱的高度在不同的地形条件下进行调节。3.2荒漠戈壁光伏电站其中一家太阳能发电站位于祁连山的务隆山脉西南方向，地势平坦，地势平坦，地势平坦，是一片戈壁滩。地表海拔在3000-3150米左右。大多数基础土是由6.0~7.8米厚的第四系角砾岩（Q4al+pl）组成。在勘探现场没有发现任何地下水。光伏组件结构布置主要采取了固定支撑和单轴追踪支撑二种。固定支撑用预埋钢管灌注桩。平单轴追踪支撑柱间隙很大，稳定基础所承担的负荷超过了双立柱稳定支撑基础。靠近驱动轴线处的支柱基座，还须承担很大的水平负荷。由于平单轴组件离地高需在达到±45°的倾角时不得低于0.5m，所以，桩承台的出土高程大约在1m。综合考虑了地质条件、支撑构件型式和施工要求，平单轴支撑基础选用了干作业土中成孔灌注桩。桩直径为300mm，入土水深为2m，出地面1m。出地面组成部分的钢筋混凝土基本受力状况类似于压弯结构，桩纵筋配置按照与