不同地質環(huán)境下光伏電站支架基礎設計分析摘要：太陽能光伏發(fā)電是現階段能源研發(fā)當中新型清潔可再生能源的創(chuàng)新發(fā)電模式，對于石油、煤炭等傳統(tǒng)能源而言，太陽能能源的運用具有重大意義。本文在對太陽能光伏發(fā)電技術進行研究中，針對光伏發(fā)電站的光伏支架設計進行了充分的分析和考證。在不同的地質環(huán)境中，光伏支架基礎設計需要考慮到的自然威脅也各不相同，因此需要開展有針對性的基礎設計才能夠保證光伏支架能夠真正應用到光伏發(fā)電當中。關鍵詞：地質環(huán)境；太陽能光伏發(fā)電；光伏支架基礎；風載荷前言：光伏支架是光伏發(fā)電站接收太陽能的重要裝置之一，為了能夠更大規(guī)模地獲取太陽能，光伏支架通常架設在發(fā)電站外空曠的地點，因此其所受到的自然環(huán)境影響也較為強烈。載荷方面，光伏支架除了受到自重載荷的影響外，還會受到風載荷、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對環(huán)境載荷的危害，設計人員需要根據不同的地質環(huán)境進行充分、有實踐價值的支架基礎設計，提升支架質量。1山地丘陵地區(qū)光伏支架的設計1.1分析山地丘陵的地勢特點確定設計方案光伏支架基礎設計人員在面對山地丘陵地區(qū)進行支架基礎設計時，首先需要根據山地丘陵地形地勢的起伏特點分析來確定支架設計的具體方案，因此在進行設計方案之前，需要通過測量、觀測等手段，對山地地勢走向的數據進行獲取，從而完成對山地特點的判斷。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。在地理學當中，我國地勢可以根據海拔高度分為三級階梯，每一級階梯當中地勢特征都各不相同。以東部丘陵地區(qū)為例，一般的山區(qū)海拔較低，但是地勢起伏較為劇烈，設計人員在進行設計時，首先要選擇能夠滿足光伏支架接收太陽能的地塊，避免多個光伏組件相互遮擋，加大陣列的間距，提升工程造價。根據相關的設計經驗，筆者進行了山地選擇地塊的規(guī)律總結。一般來說，山地丘陵地區(qū)，光伏支架的布置應當采取依山就勢、順坡布置的方案。支架組建需要以南北向的傾角為設計方法選擇最佳的傾斜角度進行布置，而東西方向上的山勢坡度傾角則不應該大于12°，設計人員根據這一數據內容進行支架基礎的調節(jié)，使支架陣列能夠形成矩陣，且彼此不會形成遮擋。相比于平地設計，山地的光伏支架設計受制于地形，調整空間十分有限，大部分山地施工無法進行機械化作業(yè)，因此設計人員還需要對山地的土壤情況進行嚴格分析，其中，如果選地在砂礫石、片巖等較為堅硬的地塊，會在一定程度上增加施工難度，延長施工周期。1.2鋼管地錨設計針對現階段山地光伏支架的設計方案，筆者為了能夠使光伏支架施工順利開展，創(chuàng)新性地設計了鋼管地錨方式，利用機械成型鋼管和現澆混凝土兩種工藝的結合，縮短施工周期，提升施工質量。在機械鋼管設計中，鋼管通過機械鉆可以完成一次成型，成型后的鋼管根據山地所選地塊的傾斜角度，進行不同高低深度的地錨設置，保證在光管上方鋪設的光伏組件能夠向南部傾斜，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度要求，用于支架的鋼管直徑應當控制在13cm左右，而支架樁身的長度則不應該低于150cm，且樁身需要全部埋設與地平面以下。在設計當中，基礎頂部的預埋應該選用具有軸對稱性質的圓形鋼管，而為了避免傳統(tǒng)角鋼所存有的界面無法旋轉調整的弊病，本文的鋼管選材為具有界面旋轉能力的直縫鍍鋅鋼管，利用這種類型的鋼管能夠從根本上解決山地施工中定位困難、質量無法保證等問題。在鋼管支架中，支架立柱需要與基礎預埋光管進行連接，其中支架立柱由于位于地面以上，形成對光伏組件的襯托，因此需要選用承插式定位連接方式，保證穩(wěn)固，并且能夠進行伸縮調整，以便工作人員根據地形需要進行角度調整。基礎鋼管通過對穿螺栓和三個緊固螺栓與立柱形成連接固定，其中，三個緊固螺栓位于對穿螺栓的上部，工作人員可以通過旋鈕來進行支架的傾角調整和臨時固定，而對穿螺栓則需要在調整完成之后進行連接。在具體的施工當中，筆者采取了螺栓機械連接的工藝，質量效果突出，不經過焊接加工即可以保證質量，效率大幅度提升。此外，受到夏季的季風影響，朝南設置的光伏組件和光伏支架，會在受到風力影響的時候，產生風載荷，因此根據具體的載荷特點，本文進行了帶肋鋼筋的設計。在支架系統(tǒng)當中，將兩根帶肋鋼筋沿預埋鋼管的受力方向進行焊接，通過下引的方法，將其引導入樁身底部，從而增大了受力強度，經測試，鋼筋設計能夠應付10級左右的風力。1.3效果分析本文在鋼管地錨設計的應用中，分別選取了A省和B省兩個山地光伏項目進行了傳統(tǒng)施工方法和創(chuàng)新鋼管設計方法的對比，其中A省為傳統(tǒng)設計施工方法，B省為創(chuàng)新的鋼管地錨設計方法。通過對整體造價和強度受力的對比，探究創(chuàng)新的設計方法的價值，如表1所示：表1兩省山地光伏項目光伏支架設計對比通過表格的分析可以看出，A省和B省所采取的不同設計方案，在相同的施工強度之下，B省由于采用了創(chuàng)新的鋼管地錨設計，施工數量和總體造價明顯下降，對于施工設計團隊而言，具有借鑒和指導意義。2農田地塊的光伏支架設計由于我國東部地區(qū)普遍存在土地資源稀缺的現狀，因此在以往建設光伏電站的過程中，所能夠選用的土地大部分為山地性質的非荒地，而隨著建設腳步的逐漸加快，農業(yè)當中的農田地塊也被設計運用到光伏電站的建設當中，成為光伏電站的新商業(yè)模式。2.1農業(yè)農田土地地質情況分析本文在進行農田光伏支架設計時，針對我國東南某省份的半荒地性質的耕種農田進行了分析研究。該農田地處開闊地帶，周圍為平原，有少量丘陵，占地面積60公頃，地勢形態(tài)為北高南低，田地的坡形為緩坡，最大坡度不超過13°。全年季風影響顯著，夏季受海洋氣流影響多東南風，冬季受西伯利亞氣流影響，偶有西北風，全年平均風速為1.1m/s，且靜風頻率高，適宜開展光伏發(fā)電建設。在進行地質勘查過程中，筆者團隊對當地的地基土進行了深入的探究，并根據比對的方法將地基土從巖土層開始，依次分為砂巖層、砂土層、粉質黏土層、泥炭質土層和地表耕土。巖土層為灰白色、黃褐色等中風化砂巖，埋深在地表10m以下，抗壓強度約為29MPa，由于埋深過高，不會對支架設計起到影響；砂土層為黃褐色、黑色的強風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，砂巖巖心呈現出碎塊狀，顆粒分布較好，部分地塊分布有石英和長石；埋深1.7m~4.8m為粉質黏土層，以黃褐色、灰黑色為主，局部呈現軟塑特征，中等強度和韌度，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，強度不高。2.2設計方案確定與前文當中所提到的山地特征不同，農田耕地土質疏松，淤泥狀土質較為豐富，強度不高，在面對較大的風載荷的時候，一旦缺乏土質留存，一般性的支架基礎建設可能會出現大面積損毀。根據相關的設計計算要求和項目所選用的光伏板特征、土質情況要求，該地塊進行設計的單個光伏組件支架的基礎抗拔力需要大于10kN。在進行風載荷和光伏組件當中光伏板的設計方案確定的時候，一般會用到風壓計算公式，如公式1所示。通過公式計算的方式，將所在地區(qū)的相關數據導入，從而計算出光伏板和光伏支架基礎所應當調整的方向和承受的風載荷力度。公式1：W(風載荷受力)=aIJ?(CWpV20S)/2公式當中，CW代表所在地區(qū)的風壓系數，風壓系數的計算與角度相關，通過角度大小的數值，可以求出風壓系數的正壓值和負壓值。p則代表所在地區(qū)當中的空氣密度。標準狀態(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)的理論風速，S代表光伏板在受到風載荷時的受力面積，a為高度補正系數。通過相關數值的帶入，就可以求得當地的風載荷受力值。2.3鋼筋混凝土灌注樁基于上述的特點分析，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，通過混凝土的灌注樁，使土地地基能夠得到強度和抗拔力的保證，提升光伏支架的質量和性能，保證光伏發(fā)電的穩(wěn)定。具體來說，光伏支架的鋼筋混凝土灌注樁直徑要求達到35cm以上，同時根據巖層的分布特點，確定樁身的長度。本文根據土層埋深和土層性質，將樁身長度設定為190cm~230cm之間，通過鉆孔機等機械進行土地鉆孔，再將預先根據鉆孔機設定的鋼筋籠鋪入到鉆孔下方，選用強度為C30以上的混凝土，進行鋼筋籠的灌注，在現場施工中，通過振動棒進行振搗，使其能夠迅速凝固成型。結論：綜上所述，在不同的地質環(huán)境當中，地塊土壤的差異使得光伏支架的強度要求也存在不同，在具體的方案設計當中，相關的設計人員應當根據地塊中土壤情況進行強度和載荷分析，并通過符合強度要求的設計方法確定設