摘要：太阳能光伏发电是现阶段能源研发当中新型清洁可再生能源的创新发电模式，对于石油、煤炭等传统能源而言，太阳能能源的运用具有重大意义。本文在对太阳能光伏发电技术进行研究中，针对光伏发电站的光伏支架设计进行了充分的分析和考证。在不同的地质环境中，光伏支架基础设计需要考虑到的自然威胁也各不相同，因此需要开展有针对性的基础设计才能够保证光伏支架能够真正应用到光伏发电当中。
关键词：地质环境；太阳能光伏发电；光伏支架基础；风载荷
前言：光伏支架是光伏发电站接收太阳能的重要装置之一，为了能够更大规模地获取太阳能，光伏支架通常架设在发电站外空旷的地点，因此其所受到的自然环境影响也较为强烈。载荷方面，光伏支架除了受到自重载荷的影响外，还会受到风载荷、雪载荷以及地震载荷的影响。在目前研究中，为了能够使光伏支架充分应对环境载荷的危害，设计人员需要根据不同的地质环境进行充分、有实践价值的支架基础设计，提升支架质量。
1 山地丘陵地区光伏支架的设计
1.1 分析山地丘陵的地势特点确定设计方案
光伏支架基础设计人员在面对山地丘陵地区进行支架基础设计时，首先需要根据山地丘陵地形地势的起伏特点分析来确定支架设计的具体方案，因此在进行设计方案之前，需要通过测量、观测等手段，对山地地势走向的数据进行获取，从而完成对山地特点的判断。
与一般的平原地区相比，山地光伏厂区通常具有蜿蜒起伏坡度坡向差别巨大的特点。在地理学当中，我国地势可以根据海拔高度分为三级阶梯，每一级阶梯当中地势特征都各不相同。以东部丘陵地区为例，一般的山区海拔较低，但是地势起伏较为剧烈，设计人员在进行设计时，首先要选择能够满足光伏支架接收太阳能的地块，避免多个光伏组件相互遮挡，加大阵列的间距，提升工程造价。根据相关的设计经验，笔者进行了山地选择地块的规律总结。一般来说，山地丘陵地区，光伏支架的布置应当采取依山就势、顺坡布置的方案。支架组建需要以南北向的倾角为设计方法选择最佳的倾斜角度进行布置，而东西方向上的山势坡度倾角则不应该大于12°，设计人员根据这一数据内容进行支架基础的调节，使支架阵列能够形成矩阵，且彼此不会形成遮挡。相比于平地设计，山地的光伏支架设计受制于地形，调整空间十分有限，大部分山地施工无法进行机械化作业，因此设计人员还需要对山地的土壤情况进行严格分析，其中，如果选地在砂砾石、片岩等较为坚硬的地块，会在一定程度上增加施工难度，延长施工周期。
1.2 钢管地锚设计
针对现阶段山地光伏支架的设计方案，笔者为了能够使光伏支架施工顺利开展，创新性地设计了钢管地锚方式，利用机械成型钢管和现浇混凝土两种工艺的结合，缩短施工周期，提升施工质量。
在机械钢管设计中，钢管通过机械钻可以完成一次成型，成型后的钢管根据山地所选地块的倾斜角度，进行不同高低深度的地锚设置，保证在光管上方铺设的光伏组件能够向南部倾斜，且与地面倾斜角度保持平行。在地锚钢管中，为了满足光伏组件的强度要求，用于支架的钢管直径应当控制在13cm左右，而支架桩身的长度则不应该低于150cm，且桩身需要全部埋设与地平面以下。在设计当中，基础顶部的预埋应该选用具有轴对称性质的圆形钢管，而为了避免传统角钢所存有的界面无法旋转调整的弊病，本文的钢管选材为具有界面旋转能力的直缝镀锌钢管，利用这种类型的钢管能够从根本上解决山地施工中定位困难、质量无法保证等问题。在钢管支架中，支架立柱需要与基础预埋光管进行连接，其中支架立柱由于位于地面以上，形成对光伏组件的衬托，因此需要选用承插式定位连接方式，保证稳固，并且能够进行伸缩调整，以便工作人员根据地形需要进行角度调整。基础钢管通过对穿螺栓和三个紧固螺栓与立柱形成连接固定，其中，三个紧固螺栓位于对穿螺栓的上部，工作人员可以通过旋钮来进行支架的倾角调整和临时固定，而对穿螺栓则需要在调整完成之后进行连接。在具体的施工当中，笔者采取了螺栓机械连接的工艺，质量效果突出，不经过焊接加工即可以保证质量，效率大幅度提升。此外，受到夏季的季风影响，朝南设置的光伏组件和光伏支架，会在受到风力影响的时候，产生风载荷，因此根据具体的载荷特点，本文进行了带肋钢筋的设计。在支架系统当中，将两根带肋钢筋沿预埋钢管的受力方向进行焊接，通过下引的方法，将其引导入桩身底部，从而增大了受力强度，经测试，钢筋设计能够应付10级左右的风力。
1.3 效果分析
本文在钢管地锚设计的应用中，分别选取了A省和B省两个山地光伏项目进行了传统施工方法和创新钢管设计方法的对比，其中A省为传统设计施工方法，B省为创新的钢管地锚设计方法。通过对整体造价和强度受力的对比，探究创新的设计方法的价值，如表1所示：
表1 两省山地光伏项目光伏支架设计对比
通过表格的分析可以看出，A省和B省所采取的不同设计方案，在相同的施工强度之下，B省由于采用了创新的钢管地锚设计，施工数量和总体造价明显下降，对于施工设计团队而言，具有借鉴和指导意义。
2 农田地块的光伏支架设计
由于我国东部地区普遍存在土地资源稀缺的现状，因此在以往建设光伏电站的过程中，所能够选用的土地大部分为山地性质的非荒地，而随着建设脚步的逐渐加快，农业当中的农田地块也被设计运用到光伏电站的建设当中，成为光伏电站的新商业模式。
2.1 农业农田土地地质情况分析
本文在进行农田光伏支架设计时，针对我国东南某省份的半荒地性质的耕种农田进行了分析研究。该农田地处开阔地带，周围为平原，有少量丘陵，占地面积60公顷，地势形态为北高南低，田地的坡形为缓坡，最大坡度不超过13°。全年季风影响显著，夏季受海洋气流影响多东南风，冬季受西伯利亚气流影响，偶有西北风，全年平均风速为1.1m/s，且静风频率高，适宜开展光伏发电建设。
在进行地质勘查过程中，笔者团队对当地的地基土进行了深入的探究，并根据比对的方法将地基土从岩土层开始，依次分为砂岩层、砂土层、粉质黏土层、泥炭质土层和地表耕土。岩土层为灰白色、黄褐色等中风化砂岩，埋深在地表10m以下，抗压强度约为29MPa，由于埋深过高，不会对支架设计起到影响；砂土层为黄褐色、黑色的强风化砂岩以及中粗粒径的砂土，埋深为5.9m~8.7m之间，该层分布不普遍，砂岩岩心呈现出碎块状，颗粒分布较好，部分地块分布有石英和长石；埋深1.7m~4.8m为粉质黏土层，以黄褐色、灰黑色为主，局部呈现软塑特征，中等强度和韧度，切面光滑有纹理；地表至地下0.8m为耕土，在该地块，耕土分为两层，表层以分散、湿润的粘性土为主，部分地块含有碎石，向下则为稻田深耕土，呈灰黑色的淤泥状，含有少量的植物根系，强度不高。
2.2 设计方案确定
与前文当中所提到的山地特征不同，农田耕地土质疏松，淤泥状土质较为丰富，强度不高，在面对较大的风载荷的时候，一旦缺乏土质留存，一般性的支架基础建设可能会出现大面积损毁。根据相关的设计计算要求和项目所选用的光伏板特征、土质情况要求，该地块进行设计的单个光伏组件支架的基础抗拔力需要大于10kN。
在进行风载荷和光伏组件当中光伏板的设计方案确定的时候，一般会用到风压计算公式，如公式1所示。通过公式计算的方式，将所在地区的相关数据导入，从而计算出光伏板和光伏支架基础所应当调整的方向和承受的风载荷力度。
公式1：W（风载荷受力）=αIJ•（CWρV20S）/2
公式当中，CW代表所在地区的风压系数，风压系数的计算与角度相关，通过角度大小的数值，可以求出风压系数的正压值和负压值。ρ则代表所在地区当中的空气密度。标准状态下的空气密度ρ约为每m4状态下1.225N•S2,而本地的空气密度约为1.1N•S2。V0代表所在地区的理论风速，S代表光伏板在受到风载荷时的受力面积，α为高度补正系数。通过相关数值的带入，就可以求得当地的风载荷受力值。
2.3 钢筋混凝土灌注桩
基于上述的特点分析，笔者在该地块选用了十分常用的钢筋混凝土灌注桩施工技术，通过混凝土的灌注桩，使土地地基能够得到强度和抗拔力的保证，提升光伏支架的质量和性能，保证光伏发电的稳定。具体来说，光伏支架的钢筋混凝土灌注桩直径要求达到35cm以上，同时根据岩层的分布特点，确定桩身的长度。本文根据土层埋深和土层性质，将桩身长度设定为190cm~230cm之间，通过钻孔机等机械进行土地钻孔，再将预先根据钻孔机设定的钢筋笼铺入到钻孔下方，选用强度为C30以上的混凝土，进行钢筋笼的灌注，在现场施工中，通过振动棒进行振捣，使其能够迅速凝固成型。
结论：综上所述，在不同的地质环境当中，地块土壤的差异使得光伏支架的强度要求也存在不同，在具体的方案设计当中，相关的设计人员应当根据地块中土壤情况进行强度和载荷分析，并通过符合强度要求的设计方法确定设计方案，保障工程质量。
参考文献
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论文作者:王泽群
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：支架论文; 光伏论文; 载荷论文; 山地论文; 钢管论文; 地块论文; 基础论文; 《电力设备》2018年第12期论文;