光伏电站支架基础型式对比分析及选型探讨

光伏电站支架基础型式对比分析及选型探讨

杨民

江苏国强镀锌实业有限公司江苏溧阳213300

摘要：随着光伏电站建设数量的增多与建设速度的加快，光伏电站的建设用地也不再局限于荒漠地区，在沿海区域的滩涂鱼塘、各大型煤矿的废弃矿场、高山山地及石漠化地区，也建有多座并网光伏电站。然而光伏电站占地面积大，在同一场区内，地形、地质条件也具有多样性及复杂性。我国光伏电站建设初期主要集中在荒漠地区，因此，光伏支架的基础主要参照建筑相关规范进行设计，主要采用独立基础及条形基础。本文对光伏电站建设中不同光伏支架基础形式进行技术对比分析。

关键词：光伏；支架基础；对比分析

在全球能源供应紧张和环境保护压力日益加大的情况下，人类社会的可持续发展受到了巨大挑战，尽快改变过度依赖化石燃料的能源结构，发展和利用清洁而安全的太阳能、风能、生物质能等可再生能源成为经济和社会发展的必由之路。同时光伏发电应用模式也不断创新，除传统的大型地面光伏电站、分布式光伏、屋顶光伏外，水光互补、风光互补等新型复合电站，探索了水电、风电和光伏电站协调运行、联合调度的创新模式；与生态农业相结合的光伏农业大棚、渔光互补电站逐渐成为市场热点；集荒山荒坡治理、煤矿采空区治理和沙漠化治理等于一体，把生态恢复与光伏发电相结合的项目也不断推陈出新。

一、光伏支架基础受力特性

光伏支架基础所承受的力是由上部光伏支架传到基础上，而光伏支架是光伏组件的支撑结构，支架及组件本身自重很小；但因组件面积较大，其承受的主要荷载为风、雪荷载，且风荷载作用方向不断变化，因此，支架传至基础的反作用力在顺风和逆风的条件下作用方向相反，基础设计时需考虑满足不同工况下支架传至基础的反作用力。

二、不同支架基础形式特点及适用条件对比分析

对光伏支架基础的受力特点，采用不同的基础形式其设计计算方法与施工工艺不同。对同一场址而言，地质条件的差异对基础设计参数的选取影响很大。以下介绍几种常用的支架基础形式的特点及使用条件。

1、混凝土独立基础。混凝土独立基础因其结构形式简单、受力明确，在早期光伏电站建设过程中被广泛使用。其设计是由抗弯及抗冲切控制，对于光伏支架逆风工况下的上拔力，则由其自重及上覆土重承担。因支架上部荷载较小，因此，基础基底压力很小，所以风荷载作用下的倾覆破坏就是基础的控制因素。另外，为充分利用基础上覆土重抵抗支架上拔力，基础一般埋深较深，从而导致开挖土石方工程量很大。因此，混凝土独立基础一般适用于场地较为平整、土层较厚、开挖方便的场址。混凝土条形基础与独立基础类似，其作为光伏支架基础设计需控制的因素也是支架逆风工况时的倾覆破坏。但条形基础体形更大，因此其自重较独立基础更重，仅利用其自重作为配重就能满足抗倾覆的要求，故埋置深度较浅。由于条形基础的基底面积较大，故基底产生的压力很小，因此，适用于场区内的回填区及废弃厂矿的回填区域，以减小因基础不均匀沉降而导致的支架、组件的破坏。

2、钢制地锚基础。钢制地锚基础是一种较常规基础更为新颖的基础形式，其主体结构为一钢管，钢管周边焊接有螺纹状的叶片，施工时利用专门机具旋转钻入土中，施工速度较快。其受力特点是利用其叶片上覆土重、土自身的剪切力及其与土的摩擦力抵抗支架的上拔荷载，利用桩周土的嵌固作用抵抗水平力。因此，利用此种基础形式要求土具有较高的密实度；且因其施工的特殊性，主要运用于地形较为平坦、土层或强风化岩石层较厚的区域。若地形坡度较大，则因施工机具的限制可导致基础定位偏差较大；而土层密实度较小又可导致其水平承载力不足；另外，如土层内岩石较多或有下覆基岩，则无法打入土层内，可导致地锚在钻进过程中被破坏。利用钢制地锚基础形式可加快施工进度。同时，由于基础基本不存在开挖面，可大幅减小土石方的开挖量。

3、岩石锚杆基础。岩石锚杆基础与植筋基础类似，其破坏工况为：钢筋与灌浆混凝土粘结强度不足，导致钢筋从混凝土中被拔出；灌浆混凝土与基岩的粘结强度不足，导致钢筋与混凝土整体从锚杆孔中被拔出；岩体强度不足或存在节理，导致岩体本身破坏，钢筋、灌浆混凝土与部分岩体被拔出。设计控制工况应以上几种破坏形式中抗力最小的一种工况为准。另外，因支架底部有水平力，所以一般仍需验算钢筋的抗剪承载力。岩石锚杆基础主要运用于岩石出露且岩石完整性较差的场地，其施工过程需人工成孔、灌浆，最后浇筑基础顶部混凝土。岩石锚杆基础充分利用了锚杆抗拔能力强的特点，可有效减小工程量。

4、微型灌注桩基础。微型灌注桩基础因其具有承受抗压、抗拔较强的特性，能很好地抵抗光伏支架柱底反作用力，且其工程量较小，因此，目前被广泛运用于并网光伏电站中。在微型灌注桩基础设计过程中，除需要按常规桩基础设计考虑其竖向、水平、抗压承载力以外，由于其直径较小，还需要计算桩基桩身的抗弯、抗剪承载力。通过对多个采用微型灌注桩基础的光伏电站支架基础桩基承载力的计算分析，微型灌注桩承载力主要以水平承载力为控制因素，而其桩身配筋计算及桩身承载力则以基础所承受的水平力及桩顶弯矩为控制工况。目前运用较多的微型灌注桩基础形式主要有混凝土灌注桩基础及采用钢管与混凝土相互结合的灌注桩基础。

三、不同支架基础形式经济性对比

单个光伏支架基础虽然工程量较小，但光伏电站中所需支架基础数量巨大。以一个装机容量为50MW、采用固定支架光伏电站为例，其需要的支架基础数量约为70000多个。因此，巨大的数量必然导致总工程量也较大。再加上光伏电站占地面积较大，支架基础分布于场址内各个区域，较为分散，因此在光伏支架基础施工时，对机械不能到达的区域，基本只能依靠人工进行施工，这也必然导致在光伏电站支架基础施工中，单位工程量造价较普通土石方及混凝土工程有所增加。在采用固定支架的并网光伏电站的建设中，整个土建工程约占整个工程投资的15%。对于方阵区，土建工程约占整个方阵区投资的12%；而光伏方阵支架基础的投资约占整个方阵区投资的3.6%。因此，光伏支架基础作为光伏电站中土建工程的重要组成部分，对整个光伏电站的投资具有较大影响。光伏电站建设过程中，采用不同的支架基础形式，其造价也有较大差别。为分析不同支架基础形式间造价的差异，列出各种基础形式的工程量并进行对比，荷载按同一工程基础所承受相同荷载进行计算。工程基本条件为：重现期为50年的基本风压，0.35kN/m2；地震烈度为8度，0.20g；支架形式为固定式双柱支架，钢结构。在上述工程条件下对各种不同形式的支架基础进行计算，得出各基础所对应的工程量及一般施工条件下每瓦的造价。在各种基础中，混凝土独立基础与混凝土条形基础挖方量及混凝土工程量最大；预制桩基础按较为常用的4.0m桩长计算，需混凝土约1.60m3；工程量最小的为植筋及岩石锚杆基础。对微型灌注桩基础、植筋及岩石锚杆基础，虽然施工过程中需进行成孔作业，但工程量较其他基础形式小很多，因此，其综合造价也较其他基础形式小。

由于光伏电站的建设技术已趋于成熟，光伏电站建设的用地类型也多种多样，对光伏电站不同的需求，适应光伏电站建设用地不同地形、地质条件及上部光伏支架形式，支架基础也发展出了多种形式。因此，在并网光伏电站的建设过程中，应综合分析场区地形、地质条件、结合施工机具条件，人工和材料成本、工期进度要求等多种因素综合考虑支架基础方案，选择合适的支架基础形式，以满足工期、成本控制的要求。

参考文献：

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[2]张国涛，陈玉梅.浅析荒漠地区的光伏支架基础形式[J].城市建筑，2016，（24）.

[3]阮国华，徐文赋.某光伏电站小型钻孔关注桩基础设计计算问题的探讨[J].太阳能，2015，（8）.