不同地質(zhì)環(huán)境下光伏電站支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析

不同地質(zhì)環(huán)境下光伏電站支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析摘要：太陽(yáng)能光伏發(fā)電是現(xiàn)階段能源研發(fā)當(dāng)中新型清潔可再生能源的創(chuàng)新發(fā)電模式，對(duì)于石油、煤炭等傳統(tǒng)能源而言，太陽(yáng)能能源的運(yùn)用具有重大意義。本文在對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究中，針對(duì)光伏發(fā)電站的光伏支架設(shè)計(jì)進(jìn)行了充分的分析和考證。在不同的地質(zhì)環(huán)境中，光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮到的自然威脅也各不相同，因此需要開(kāi)展有針對(duì)性的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)才能夠保證光伏支架能夠真正應(yīng)用到光伏發(fā)電當(dāng)中。關(guān)鍵詞：地質(zhì)環(huán)境；太陽(yáng)能光伏發(fā)電；光伏支架基礎(chǔ)；風(fēng)載荷前言：光伏支架是光伏發(fā)電站接收太陽(yáng)能的重要裝置之一，為了能夠更大規(guī)模地獲取太陽(yáng)能，光伏支架通常架設(shè)在發(fā)電站外空曠的地點(diǎn)，因此其所受到的自然環(huán)境影響也較為強(qiáng)烈。載荷方面，光伏支架除了受到自重載荷的影響外，還會(huì)受到風(fēng)載荷、雪載荷以及地震載荷的影響。在目前研究中，為了能夠使光伏支架充分應(yīng)對(duì)環(huán)境載荷的危害，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行充分、有實(shí)踐價(jià)值的支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，提升支架質(zhì)量。1山地丘陵地區(qū)光伏支架的設(shè)計(jì)1.1分析山地丘陵的地勢(shì)特點(diǎn)確定設(shè)計(jì)方案光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)人員在面對(duì)山地丘陵地區(qū)進(jìn)行支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要根據(jù)山地丘陵地形地勢(shì)的起伏特點(diǎn)分析來(lái)確定支架設(shè)計(jì)的具體方案，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案之前，需要通過(guò)測(cè)量、觀測(cè)等手段，對(duì)山地地勢(shì)走向的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，從而完成對(duì)山地特點(diǎn)的判斷。與一般的平原地區(qū)相比，山地光伏廠區(qū)通常具有蜿蜒起伏坡度坡向差別巨大的特點(diǎn)。在地理學(xué)當(dāng)中，我國(guó)地勢(shì)可以根據(jù)海拔高度分為三級(jí)階梯，每一級(jí)階梯當(dāng)中地勢(shì)特征都各不相同。以東部丘陵地區(qū)為例，一般的山區(qū)海拔較低，但是地勢(shì)起伏較為劇烈，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選擇能夠滿足光伏支架接收太陽(yáng)能的地塊，避免多個(gè)光伏組件相互遮擋，加大陣列的間距，提升工程造價(jià)。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，筆者進(jìn)行了山地選擇地塊的規(guī)律總結(jié)。一般來(lái)說(shuō)，山地丘陵地區(qū)，光伏支架的布置應(yīng)當(dāng)采取依山就勢(shì)、順坡布置的方案。支架組建需要以南北向的傾角為設(shè)計(jì)方法選擇最佳的傾斜角度進(jìn)行布置，而東西方向上的山勢(shì)坡度傾角則不應(yīng)該大于12°，設(shè)計(jì)人員根據(jù)這一數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行支架基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)，使支架陣列能夠形成矩陣，且彼此不會(huì)形成遮擋。相比于平地設(shè)計(jì)，山地的光伏支架設(shè)計(jì)受制于地形，調(diào)整空間十分有限，大部分山地施工無(wú)法進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，因此設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)山地的土壤情況進(jìn)行嚴(yán)格分析，其中，如果選地在砂礫石、片巖等較為堅(jiān)硬的地塊，會(huì)在一定程度上增加施工難度，延長(zhǎng)施工周期。1.2鋼管地錨設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)階段山地光伏支架的設(shè)計(jì)方案，筆者為了能夠使光伏支架施工順利開(kāi)展，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了鋼管地錨方式，利用機(jī)械成型鋼管和現(xiàn)澆混凝土兩種工藝的結(jié)合，縮短施工周期，提升施工質(zhì)量。在機(jī)械鋼管設(shè)計(jì)中，鋼管通過(guò)機(jī)械鉆可以完成一次成型，成型后的鋼管根據(jù)山地所選地塊的傾斜角度，進(jìn)行不同高低深度的地錨設(shè)置，保證在光管上方鋪設(shè)的光伏組件能夠向南部?jī)A斜，且與地面傾斜角度保持平行。在地錨鋼管中，為了滿足光伏組件的強(qiáng)度要求，用于支架的鋼管直徑應(yīng)當(dāng)控制在13cm左右，而支架樁身的長(zhǎng)度則不應(yīng)該低于150cm，且樁身需要全部埋設(shè)與地平面以下。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，基礎(chǔ)頂部的預(yù)埋應(yīng)該選用具有軸對(duì)稱性質(zhì)的圓形鋼管，而為了避免傳統(tǒng)角鋼所存有的界面無(wú)法旋轉(zhuǎn)調(diào)整的弊病，本文的鋼管選材為具有界面旋轉(zhuǎn)能力的直縫鍍鋅鋼管，利用這種類(lèi)型的鋼管能夠從根本上解決山地施工中定位困難、質(zhì)量無(wú)法保證等問(wèn)題。在鋼管支架中，支架立柱需要與基礎(chǔ)預(yù)埋光管進(jìn)行連接，其中支架立柱由于位于地面以上，形成對(duì)光伏組件的襯托，因此需要選用承插式定位連接方式，保證穩(wěn)固，并且能夠進(jìn)行伸縮調(diào)整，以便工作人員根據(jù)地形需要進(jìn)行角度調(diào)整?；A(chǔ)鋼管通過(guò)對(duì)穿螺栓和三個(gè)緊固螺栓與立柱形成連接固定，其中，三個(gè)緊固螺栓位于對(duì)穿螺栓的上部，工作人員可以通過(guò)旋鈕來(lái)進(jìn)行支架的傾角調(diào)整和臨時(shí)固定，而對(duì)穿螺栓則需要在調(diào)整完成之后進(jìn)行連接。在具體的施工當(dāng)中，筆者采取了螺栓機(jī)械連接的工藝，質(zhì)量效果突出，不經(jīng)過(guò)焊接加工即可以保證質(zhì)量，效率大幅度提升。此外，受到夏季的季風(fēng)影響，朝南設(shè)置的光伏組件和光伏支架，會(huì)在受到風(fēng)力影響的時(shí)候，產(chǎn)生風(fēng)載荷，因此根據(jù)具體的載荷特點(diǎn)，本文進(jìn)行了帶肋鋼筋的設(shè)計(jì)。在支架系統(tǒng)當(dāng)中，將兩根帶肋鋼筋沿預(yù)埋鋼管的受力方向進(jìn)行焊接，通過(guò)下引的方法，將其引導(dǎo)入樁身底部，從而增大了受力強(qiáng)度，經(jīng)測(cè)試，鋼筋設(shè)計(jì)能夠應(yīng)付10級(jí)左右的風(fēng)力。1.3效果分析本文在鋼管地錨設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，分別選取了A省和B省兩個(gè)山地光伏項(xiàng)目進(jìn)行了傳統(tǒng)施工方法和創(chuàng)新鋼管設(shè)計(jì)方法的對(duì)比，其中A省為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)施工方法，B省為創(chuàng)新的鋼管地錨設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)整體造價(jià)和強(qiáng)度受力的對(duì)比，探究創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法的價(jià)值，如表1所示：表1兩省山地光伏項(xiàng)目光伏支架設(shè)計(jì)對(duì)比通過(guò)表格的分析可以看出，A省和B省所采取的不同設(shè)計(jì)方案，在相同的施工強(qiáng)度之下，B省由于采用了創(chuàng)新的鋼管地錨設(shè)計(jì)，施工數(shù)量和總體造價(jià)明顯下降，對(duì)于施工設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，具有借鑒和指導(dǎo)意義。2農(nóng)田地塊的光伏支架設(shè)計(jì)由于我國(guó)東部地區(qū)普遍存在土地資源稀缺的現(xiàn)狀，因此在以往建設(shè)光伏電站的過(guò)程中，所能夠選用的土地大部分為山地性質(zhì)的非荒地，而隨著建設(shè)腳步的逐漸加快，農(nóng)業(yè)當(dāng)中的農(nóng)田地塊也被設(shè)計(jì)運(yùn)用到光伏電站的建設(shè)當(dāng)中，成為光伏電站的新商業(yè)模式。2.1農(nóng)業(yè)農(nóng)田土地地質(zhì)情況分析本文在進(jìn)行農(nóng)田光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)我國(guó)東南某省份的半荒地性質(zhì)的耕種農(nóng)田進(jìn)行了分析研究。該農(nóng)田地處開(kāi)闊地帶，周?chē)鸀槠皆?，有少量丘陵，占地面積60公頃，地勢(shì)形態(tài)為北高南低，田地的坡形為緩坡，最大坡度不超過(guò)13°。全年季風(fēng)影響顯著，夏季受海洋氣流影響多東南風(fēng)，冬季受西伯利亞氣流影響，偶有西北風(fēng)，全年平均風(fēng)速為1.1m/s，且靜風(fēng)頻率高，適宜開(kāi)展光伏發(fā)電建設(shè)。在進(jìn)行地質(zhì)勘查過(guò)程中，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡鼗吝M(jìn)行了深入的探究，并根據(jù)比對(duì)的方法將地基土從巖土層開(kāi)始，依次分為砂巖層、砂土層、粉質(zhì)黏土層、泥炭質(zhì)土層和地表耕土。巖土層為灰白色、黃褐色等中風(fēng)化砂巖，埋深在地表10m以下，抗壓強(qiáng)度約為29MPa，由于埋深過(guò)高，不會(huì)對(duì)支架設(shè)計(jì)起到影響；砂土層為黃褐色、黑色的強(qiáng)風(fēng)化砂巖以及中粗粒徑的砂土，埋深為5.9m~8.7m之間，該層分布不普遍，砂巖巖心呈現(xiàn)出碎塊狀，顆粒分布較好，部分地塊分布有石英和長(zhǎng)石；埋深1.7m~4.8m為粉質(zhì)黏土層，以黃褐色、灰黑色為主，局部呈現(xiàn)軟塑特征，中等強(qiáng)度和韌度，切面光滑有紋理；地表至地下0.8m為耕土，在該地塊，耕土分為兩層，表層以分散、濕潤(rùn)的粘性土為主，部分地塊含有碎石，向下則為稻田深耕土，呈灰黑色的淤泥狀，含有少量的植物根系，強(qiáng)度不高。2.2設(shè)計(jì)方案確定與前文當(dāng)中所提到的山地特征不同，農(nóng)田耕地土質(zhì)疏松，淤泥狀土質(zhì)較為豐富，強(qiáng)度不高，在面對(duì)較大的風(fēng)載荷的時(shí)候，一旦缺乏土質(zhì)留存，一般性的支架基礎(chǔ)建設(shè)可能會(huì)出現(xiàn)大面積損毀。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算要求和項(xiàng)目所選用的光伏板特征、土質(zhì)情況要求，該地塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的單個(gè)光伏組件支架的基礎(chǔ)抗拔力需要大于10kN。在進(jìn)行風(fēng)載荷和光伏組件當(dāng)中光伏板的設(shè)計(jì)方案確定的時(shí)候，一般會(huì)用到風(fēng)壓計(jì)算公式，如公式1所示。通過(guò)公式計(jì)算的方式，將所在地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，從而計(jì)算出光伏板和光伏支架基礎(chǔ)所應(yīng)當(dāng)調(diào)整的方向和承受的風(fēng)載荷力度。公式1：W(風(fēng)載荷受力)=aIJ?(CWpV20S)/2公式當(dāng)中，CW代表所在地區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)，風(fēng)壓系數(shù)的計(jì)算與角度相關(guān)，通過(guò)角度大小的數(shù)值，可以求出風(fēng)壓系數(shù)的正壓值和負(fù)壓值。p則代表所在地區(qū)當(dāng)中的空氣密度。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度p約為每m4狀態(tài)下1.225N?S2,而本地的空氣密度約為1.1N?S2。V0代表所在地區(qū)的理論風(fēng)速，S代表光伏板在受到風(fēng)載荷時(shí)的受力面積，a為高度補(bǔ)正系數(shù)。通過(guò)相關(guān)數(shù)值的帶入，就可以求得當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)載荷受力值。2.3鋼筋混凝土灌注樁基于上述的特點(diǎn)分析，筆者在該地塊選用了十分常用的鋼筋混凝土灌注樁施工技術(shù)，通過(guò)混凝土的灌注樁，使土地地基能夠得到強(qiáng)度和抗拔力的保證，提升光伏支架的質(zhì)量和性能，保證光伏發(fā)電的穩(wěn)定。具體來(lái)說(shuō)，光伏支架的鋼筋混凝土灌注樁直徑要求達(dá)到35cm以上，同時(shí)根據(jù)巖層的分布特點(diǎn)，確定樁身的長(zhǎng)度。本文根據(jù)土層埋深和土層性質(zhì)，將樁身長(zhǎng)度設(shè)定為190cm~230cm之間，通過(guò)鉆孔機(jī)等機(jī)械進(jìn)行土地鉆孔，再將預(yù)先根據(jù)鉆孔機(jī)設(shè)定的鋼筋籠鋪入到鉆孔下方，選用強(qiáng)度為C30以上的混凝土，進(jìn)行鋼筋籠的灌注，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，通過(guò)振動(dòng)棒進(jìn)行振搗，使其能夠迅速凝固成型。結(jié)論：綜上所述，在不同的地質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，地塊土壤的差異使得光伏支架的強(qiáng)度要求也存在不同，在具體的方案設(shè)計(jì)當(dāng)中，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)地塊中土壤情況進(jìn)行強(qiáng)度和載荷分析，并通過(guò)符合強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)方法確定設(shè)