光伏電站支架基礎型式對比分析及選型探討

光伏電站支架基礎型式對比分析及選型探討摘要：隨著光伏電站建設數(shù)量的增多與建設速度的加快，光伏電站的建設用地也不再局限于荒漠地區(qū)，在沿海區(qū)域的灘涂魚塘、各大型煤礦的廢棄礦場、高山山地及石漠化地區(qū)，也建有多座并網(wǎng)光伏電站。然而光伏電站占地面積大，在同一場區(qū)內，地形、地質條件也具有多樣性及復雜性。我國光伏電站建設初期主要集中在荒漠地區(qū)，因此，光伏支架的基礎主要參照建筑相關規(guī)范進行設計，主要采用獨立基礎及條形基礎。本文對光伏電站建設中不同光伏支架基礎形式進行技術對比分析。關鍵詞：光伏；支架基礎；對比分析在全球能源供應緊張和環(huán)境保護壓力日益加大的情況下，人類社會的可持續(xù)發(fā)展受到了巨大挑戰(zhàn)，盡快改變過度依賴化石燃料的能源結構，發(fā)展和利用清潔而安全的太陽能、風能、生物質能等可再生能源成為經(jīng)濟和社會發(fā)展的必由之路。同時光伏發(fā)電應用模式也不斷創(chuàng)新，除傳統(tǒng)的大型地面光伏電站、分布式光伏、屋頂光伏外，水光互補、風光互補等新型復合電站，探索了水電、風電和光伏電站協(xié)調運行、聯(lián)合調度的創(chuàng)新模式；與生態(tài)農(nóng)業(yè)相結合的光伏農(nóng)業(yè)大棚、漁光互補電站逐漸成為市場熱點；集荒山荒坡治理、煤礦采空區(qū)治理和沙漠化治理等于一體，把生態(tài)恢復與光伏發(fā)電相結合的項目也不斷推陳出新。一、光伏支架基礎受力特性光伏支架基礎所承受的力是由上部光伏支架傳到基礎上，而光伏支架是光伏組件的支撐結構，支架及組件本身自重很?。坏蚪M件面積較大，其承受的主要荷載為風、雪荷載，且風荷載作用方向不斷變化，因此，支架傳至基礎的反作用力在順風和逆風的條件下作用方向相反，基礎設計時需考慮滿足不同工況下支架傳至基礎的反作用力。二、不同支架基礎形式特點及適用條件對比分析對光伏支架基礎的受力特點，采用不同的基礎形式其設計計算方法與施工工藝不同。對同一場址而言，地質條件的差異對基礎設計參數(shù)的選取影響很大。以下介紹幾種常用的支架基礎形式的特點及使用條件。、混凝土獨立基礎。混凝土獨立基礎因其結構形式簡單、受力明確，在早期光伏電站建設過程中被廣泛使用。其設計是由抗彎及抗沖切控制，對于光伏支架逆風工況下的上拔力，則由其自重及上覆土重承擔。因支架上部荷載較小，因此，基礎基底壓力很小，所以風荷載作用下的傾覆破壞就是基礎的控制因素。另外，為充分利用基礎上覆土重抵抗支架上拔力，基礎一般埋深較深，從而導致開挖土石方工程量很大。因此，混凝土獨立基礎一般適用于場地較為平整、土層較厚、開挖方便的場址。混凝土條形基礎與獨立基礎類似，其作為光伏支架基礎設計需控制的因素也是支架逆風工況時的傾覆破壞。但條形基礎體形更大，因此其自重較獨立基礎更重，僅利用其自重作為配重就能滿足抗傾覆的要求，故埋置深度較淺。由于條形基礎的基底面積較大，故基底產(chǎn)生的壓力很小，因此，適用于場區(qū)內的回填區(qū)及廢棄廠礦的回填區(qū)域，以減小因基礎不均勻沉降而導致的支架、組件的破壞。、鋼制地錨基礎。鋼制地錨基礎是一種較常規(guī)基礎更為新穎的基礎形式，其主體結構為一鋼管，鋼管周邊焊接有螺紋狀的葉片，施工時利用專門機具旋轉鉆入土中，施工速度較快。其受力特點是利用其葉片上覆土重、土自身的剪切力及其與土的摩擦力抵抗支架的上拔荷載，利用樁周土的嵌固作用抵抗水平力。因此，利用此種基礎形式要求土具有較高的密實度；且因其施工的特殊性，主要運用于地形較為平坦、土層或強風化巖石層較厚的區(qū)域。若地形坡度較大，則因施工機具的限制可導致基礎定位偏差較大；而土層密實度較小又可導致其水平承載力不足；另外，如土層內巖石較多或有下覆基巖，則無法打入土層內，可導致地錨在鉆進過程中被破壞。利用鋼制地錨基礎形式可加快施工進度。同時，由于基礎基本不存在開挖面，可大幅減小土石方的開挖量。、巖石錨桿基礎。巖石錨桿基礎與植筋基礎類似，其破壞工況為：鋼筋與灌漿混凝土粘結強度不足，導致鋼筋從混凝土中被拔出；灌漿混凝土與基巖的粘結強度不足，導致鋼筋與混凝土整體從錨桿孔中被拔出；巖體強度不足或存在節(jié)理導致巖體本身破壞，鋼筋、灌漿混凝土與部分巖體被拔出。設計控制工況應以上幾種破壞形式中抗力最小的一種工況為準。另外，因支架底部有水平力，所以一般仍需驗算鋼筋的抗剪承載力。巖石錨桿基礎主要運用于巖石出露且?guī)r石完整性較差的場地，其施工過程需人工成孔、灌漿，最后澆筑基礎頂部混凝土。巖石錨桿基礎充分利用了錨桿抗拔能力強的特點，可有效減小工程量。、微型灌注樁基礎。微型灌注樁基礎因其具有承受抗壓、抗拔較強的特性，能很好地抵抗光伏支架柱底反作用力，且其工程量較小，因此，目前被廣泛運用于并網(wǎng)光伏電站中。在微型灌注樁基礎設計過程中，除需要按常規(guī)樁基礎設計考慮其豎向、水平、抗壓承載力以外，由于其直徑較小，還需要計算樁基樁身的抗彎、抗剪承載力。通過對多個采用微型灌注樁基礎的光伏電站支架基礎樁基承載力的計算分析，微型灌注樁承載力主要以水平承載力為控制因素，而其樁身配筋計算及樁身承載力則以基礎所承受的水平力及樁頂彎矩為控制工況。目前運用較多的微型灌注樁基礎形式主要有混凝土灌注樁基礎及采用鋼管與混凝土相互結合的灌注樁基礎。三、不同支架基礎形式經(jīng)濟性對比單個光伏支架基礎雖然工程量較小，但光伏電站中所需支架基礎數(shù)量巨大。以一個裝機容量為50MW、采用固定支架光伏電站為例，其需要的支架基礎數(shù)量約為70000多個。因此，巨大的數(shù)量必然導致總工程量也較大。再加上光伏電站占地面積較大，支架基礎分布于場址內各個區(qū)域，較為分散，因此在光伏支架基礎施工時，對機械不能到達的區(qū)域，基本只能依靠人工進行施工，這也必然導致在光伏電站支架基礎施工中，單位工程量造價較普通土石方及混凝土工程有所增加。在采用固定支架的并網(wǎng)光伏電站的建設中，整個土建工程約占整個工程投資的15%。對于方陣區(qū)，土建工程約占整個方陣區(qū)投資的12%；而光伏方陣支架基礎的投資約占整個方陣區(qū)投資的3.6%。因此，光伏支架基礎作為光伏電站中土建工程的重要組成部分，對整個光伏電站的投資具有較大影響。光伏電站建設過程中，采用不同的支架基礎形式，其造價也有較大差別。為分析不同支架基礎形式間造價的差異，列出各種基礎形式的工程量并進行對比，荷載按同一工程基礎所承受相同荷載進行計算。工程基本條件為：重現(xiàn)期為50年的基本風壓，0.35kN/m2；地震烈度為8度，0.20g；支架形式為固定式雙柱支架，鋼結構。在上述工程條件下對各種不同形式的支架基礎進行計算，得出各基礎所對應的工程量及一般施工條件下每瓦的造價。在各種基礎中，混凝土獨立基礎與混凝土條形基礎挖方量及混凝土工程量最大；預制樁基礎按較為常用的4.0m樁長計算，需混凝土約1.60m3；工程量最小的為植筋及巖石錨桿基礎。對微型灌注樁基礎、植筋及巖石錨桿基礎，雖然施工過程中需進行成孔作業(yè)，但工程量較其他基礎形式小很多，因此，其綜合造價也較其他基礎形式小。由于光伏電站的建設技術已趨于成熟，光伏電站建設的用地類型也多種多樣，對光伏電站不同的需求，適應光伏電站建設用地不同地形、地質條件及上部光伏支架形式，支架基礎也發(fā)展出了多種形式。因此，在并網(wǎng)光伏電站的建設過程中，應綜合分析場區(qū)地形、地質條件、結合施工機具條件，人工和材料成本、工期進度要求等多種因素綜合考慮支架基礎方案，選擇合適的支架