中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司 ■ 王澤國 王磊 吉春明

0 引言

太陽能是目前可再生能源利用的熱點之一[1-2]，近年來，利用太陽能發(fā)電的光伏電站得到了快速發(fā)展。隨著國家對耕地保護越來越重視，且土地資源越來越緊張，以往傳統(tǒng)的大型地面光伏電站的發(fā)展遇到了瓶頸，建設(shè)變得較為困難。而“農(nóng)光互補”模式將光伏電站與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合，實現(xiàn)了“上可發(fā)電、下可種植”的效果，在近年得到了快速發(fā)展。

“農(nóng)光互補”電站不僅節(jié)約了建設(shè)地面電站的土地，同時還可以改變光伏電站前期投資大、回收周期長的問題，電站下方的農(nóng)業(yè)大棚可出租，攤薄電站建設(shè)成本投入，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

本文主要討論了一種“農(nóng)光互補”電站的結(jié)構(gòu)體系，其主要包含光伏支架、農(nóng)業(yè)大棚及下部的基礎(chǔ)部分，通過對這幾部分進行優(yōu)化設(shè)計，降低支架用鋼量，大棚形式簡單實用、下部基礎(chǔ)部分受力合理，顯著降低了建設(shè)成本。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

某光伏電站工程位于徐州市豐縣境內(nèi)，場址區(qū)原為一般農(nóng)用地，地形較平坦，地貌單元主要為沖積平原。根據(jù)項目勘測報告，光伏方陣區(qū)的地基土主要由第四系全新統(tǒng)沖積成因的粉土和黏土夾粉土組成。土層巖土設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 光伏方陣區(qū)土層巖土設(shè)計參數(shù)表

1.2 光伏支架荷載取值和計算結(jié)果

根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電設(shè)計規(guī)范》中第6.8.7條的規(guī)定，光伏支架的設(shè)計使用年限為25年；然后根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄E.3.4條的換算公式可知，本地區(qū)25年一遇基本風(fēng)壓為0.31 kN/m2，25年一遇基本雪壓為0.31 kN/m2，地面粗糙度為B類。

由PKPM計算模型可計算得出，支架前立柱底部最大彎矩為3.1 kN/m，最大剪力為3.7 kN，最大壓力為10 kN，最大拔力為2 kN；后立柱底部最大彎矩為9.4 kN/m，最大剪力為6.5 kN，最大壓力為13 kN，最大拔力為5 kN。

2 光伏系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 常規(guī)設(shè)計方案

根據(jù)之前光伏項目的設(shè)計經(jīng)驗，本工程采用前、后立柱支架結(jié)構(gòu)形式，斜梁通過前、后立柱支撐上部光伏組件及其他荷載，每排光伏組件采用兩根檁條支撐，支架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用混凝土獨立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，大棚拱形桿通過支撐在支架后立柱的橫擔(dān)上來維持穩(wěn)定性。采用獨立基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計方案圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)光伏系統(tǒng)設(shè)計方案(單位：mm)

為保證光伏組件下方農(nóng)業(yè)大棚種植的需要，要求大棚頂部距地面凈高≥3 m，因此使得支架前、后立柱較高；為使支架體系穩(wěn)定并節(jié)約鋼材，支架前、后立柱底部需為剛接。此方案中單個大棚支架用鋼量為1846.4 kg，各主材占比如表2所示，材料均為Q235B級鋼。

表2 常規(guī)設(shè)計方案各主材占比表

2.2 設(shè)計方案優(yōu)化

為降低本項目單位kW的造價、節(jié)約鋼材，并提高工程施工效率，本文采用以下措施對原有光伏系統(tǒng)的設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.1 檁條

由表2可知，檁條在總重量中占41.50%，比重較大；6排光伏組件需要12根檁條，單根檁條僅支撐1/2排光伏組件，未能有效發(fā)揮鋼材性能。

將檁條位置進行微調(diào)，使單根檁條兩側(cè)均可以支撐光伏組件，這樣6排光伏組件僅需要7根檁條即可支撐。檁條與光伏組件螺栓連接處如圖2所示。

圖2 組件托件(單位：mm)

由于檁條一般采用C型檁條，為支撐兩側(cè)光伏組件，需采用在檁條側(cè)面中心增加托件的方式，使檁條和托件上側(cè)均可通過螺栓連接組件安裝孔，充分利用了鋼材的抗彎性能。單個大棚的檁條由12根優(yōu)化至7根，鋼材由Q235B級改為Q345B級，而根據(jù)目前的市場價格，鋼材由Q235B級改為Q345B級，價格增加不多。

2.2.2 斜梁

在原設(shè)計方案中，斜梁為受彎構(gòu)件。由于斜梁水平距離達(dá)4.8 m，跨度較大，因此，為支撐上部光伏組件及抗風(fēng)壓、雪壓，斜梁的尺寸較大。

通過在前、后立柱上部增加隅撐，可將斜梁由單跨變?yōu)?跨，有效降低斜梁的最大彎矩，進而減小設(shè)計截面大小。

優(yōu)化后，單個大棚支架用鋼量為1391 kg，各主材占比如表3所示。其中，檁條為Q345B級鋼，其他為Q235B級鋼。

表3 優(yōu)化設(shè)計方案中各主材占比表

2.2.3 光伏支架基礎(chǔ)

目前，“光伏農(nóng)業(yè)大棚” 基礎(chǔ)主要采用樁基礎(chǔ)或獨立基礎(chǔ)。

預(yù)制管樁基礎(chǔ)由于存在“擠土效應(yīng)”，一般不易施工，且打樁產(chǎn)生的噪音也會影響附近居民。獨立基礎(chǔ)適用于地面平坦的“農(nóng)光互補”電站[3]，是一種較為可行的基礎(chǔ)方案；但獨立基礎(chǔ)一般需要滿足抗彎和抗傾覆要求，因此其截面一般較大，占用了大量的光伏陣列下方的可利用面積，不利于下方農(nóng)業(yè)種植的需求。

本文優(yōu)化設(shè)計方案采用一種下沉式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為T型結(jié)構(gòu)，包含下部的灌注式基礎(chǔ)和上部的支撐平臺。上部平臺通過鋼筋籠套在下部鋼筋籠上，頂部預(yù)埋4根地腳螺栓，與支架立柱端板螺栓連接。該基礎(chǔ)剖面圖及俯視圖如圖3所示。

經(jīng)比較，單個下沉式基礎(chǔ)的鋼筋混凝土方量為0.175 m3，相比同等技術(shù)要求的獨立基礎(chǔ)的0.31 m3降低了43.5%，具有顯著的經(jīng)濟效益。

為進一步驗證下沉式基礎(chǔ)的安全性，對總長為1.9 m的3根下沉式基礎(chǔ)進行了單樁豎向抗拔試驗和水平靜載試驗。試驗結(jié)果表明，基礎(chǔ)豎向抗拔承載力特征值為20 kN，水平臨界荷載統(tǒng)計值為26 kN，均大于支架前、后立柱的最大拔力和剪力。

圖3 基礎(chǔ)剖面圖及俯視圖

2.3 優(yōu)化前后兩種設(shè)計方案對比

優(yōu)化后的設(shè)計方案采用7根檁條支撐上部橫向6排光伏組件，采用隅撐將斜梁由單跨變?yōu)?跨，支架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用下沉式基礎(chǔ)替代原有的獨立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。優(yōu)化后設(shè)計方案如圖4所示，表4為優(yōu)化前后的光伏結(jié)構(gòu)各主材重量及對比。

圖4 優(yōu)化后光伏系統(tǒng)設(shè)計方案(單位：mm)

表4 單個大棚支架用鋼量對比表

由表4可知，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，光伏支架總重量相比原方案降低了24.66%，節(jié)約了大量鋼材，降低了投資成本；且優(yōu)化后光伏支架系統(tǒng)現(xiàn)場無焊接工作量，全部采用螺栓連接，系統(tǒng)受力合理，施工簡便。

3 結(jié)語

本文通過對“農(nóng)光互補”光伏結(jié)構(gòu)體系進行設(shè)計優(yōu)化，大幅降低了光伏系統(tǒng)用鋼量和混凝土方量，具有顯著的經(jīng)濟效益；優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體系受力合理，施工簡便，為今后農(nóng)業(yè)光伏的發(fā)展創(chuàng)造了條件，具有一定的參考價值。