農(nóng)業(yè)大棚光伏結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計研究
<p>SOLAR ENERGY 12/2018650 引言太陽能是目前可再生能源利用的熱點(diǎn)之一1-2，近年來，利用太陽能發(fā)電的光伏電站得到了快速發(fā)展。隨著國家對耕地保護(hù)越來越重視，且土地資源越來越緊張，以往傳統(tǒng)的大型地面光伏電站的發(fā)展遇到了瓶頸，建設(shè)變得較為困難。而“農(nóng)光互補(bǔ)”模式將光伏電站與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了“上可發(fā)電、下可種植”的效果，在近年得到了快速發(fā)展。“農(nóng)光互補(bǔ)”電站不僅節(jié)約了建設(shè)地面電站的土地，同時還可以改變光伏電站前期投資大、回收周期長的問題，電站下方的農(nóng)業(yè)大棚可出租，攤薄電站建設(shè)成本投入，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。本文主要討論了一種“農(nóng)光互補(bǔ)”電站的結(jié)構(gòu)體系，其主要包含光伏支架、農(nóng)業(yè)大棚及下部的基礎(chǔ)部分，通過對這幾部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，降低支架用鋼量，大棚形式簡單實(shí)用、下部基礎(chǔ)部分受力合理，顯著降低了建設(shè)成本。1 工程概況1.1 地質(zhì)情況某光伏電站工程位于徐州市豐縣境內(nèi)，場址區(qū)原為一般農(nóng)用地，地形較平坦，地貌單元主要為沖積平原。根據(jù)項(xiàng)目勘測報告，光伏方陣區(qū)的地基土主要由第四系全新統(tǒng)沖積成因的粉土和黏土夾粉土組成。土層巖土設(shè)計參數(shù)如表1所示。表 1 光伏方陣區(qū)土層巖土設(shè)計參數(shù)表層號地層 名稱承載力 特征值 fak/kPa灌注樁極限側(cè)阻力 標(biāo)準(zhǔn)值 qsik/kPa極限端阻力 標(biāo)準(zhǔn)值 qpk/kPa 粉土 100 34 -黏土 夾粉土60 26 551.2 光伏支架荷載取值和計算結(jié)果根據(jù)GB 50797-2012光伏發(fā)電設(shè)計規(guī)范中第6.8.7條的規(guī)定，光伏支架的設(shè)計使用年限為25年；然后根據(jù)GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范附錄E.3.4條的換算公式可知，本地針對目前“農(nóng)光互補(bǔ)”電站建造成本較高的現(xiàn)狀，對常規(guī)設(shè)計方案的檁條、斜梁進(jìn)行了優(yōu)化，并提出一種下沉式基礎(chǔ)設(shè)計方案，降低了建設(shè)成本，且施工簡單、安全環(huán)保，對今后“農(nóng)光互補(bǔ)”電站的開發(fā)有一定參考價值。農(nóng)光互補(bǔ)；下沉式基礎(chǔ)；檁條；斜梁摘 要：關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)大棚光伏結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計研究收稿日期：2018-02-03 通信作者：王澤國 (1988)，男，工程師，主要從事新能源發(fā)電土建結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的工作。 wangzeguojspdi.com.cn中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司 王澤國*王磊 吉春明技術(shù)產(chǎn)品與工程SOLAR ENERGY 12/201866區(qū)25年一遇基本風(fēng)壓為0.31 kN/m2，25年一遇基本雪壓為0.31 kN/m2，地面粗糙度為B類。由PKPM計算模型可計算得出，支架前立柱底部最大彎矩為3.1 kN/m，最大剪力為3.7 kN，最大壓力為10 kN，最大拔力為2 kN；后立柱底部最大彎矩為9.4 kN/m，最大剪力為6.5 kN，最大壓力為13 kN，最大拔力為5 kN。2 光伏系統(tǒng)設(shè)計方案2.1 常規(guī)設(shè)計方案根據(jù)之前光伏項(xiàng)目的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，本工程采用前、后立柱支架結(jié)構(gòu)形式，斜梁通過前、后立柱支撐上部光伏組件及其他荷載，每排光伏組件采用兩根檁條支撐，支架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，大棚拱形桿通過支撐在支架后立柱的橫擔(dān)上來維持穩(wěn)定性。采用獨(dú)立基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計方案圖如圖1所示。2.2 設(shè)計方案優(yōu)化為降低本項(xiàng)目單位kW的造價、節(jié)約鋼材，并提高工程施工效率，本文采用以下措施對原有光伏系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。2.2.1 檁條由表2可知，檁條在總重量中占41.50%，比重較大；6排光伏組件需要12根檁條，單根檁條僅支撐1/2排光伏組件，未能有效發(fā)揮鋼材性能。將檁條位置進(jìn)行微調(diào)，使單根檁條兩側(cè)均可以支撐光伏組件，這樣6排光伏組件僅需要7根檁條即可支撐。檁條與光伏組件螺栓連接處如圖2所示。為保證光伏組件下方農(nóng)業(yè)大棚種植的需要，要求大棚頂部距地面凈高3 m，因此使得支架前、后立柱較高；為使支架體系穩(wěn)定并節(jié)約鋼材，支架前、后立柱底部需為剛接。此方案中單個大棚支架用鋼量為1846.4 kg，各主材占比如表2所示，材料均為Q235B級鋼。表 2 常規(guī)設(shè)計方案各主材占比表截面 /mm 重量 /kg 總重量 /kg 占比 /%前立柱 120×80×3.2 75.80 1846.4 4.11后立柱 150×100×3.2 219.38 1846.4 11.88斜梁 130×80×3×4.0 278.89 1846.4 15.10檁條 100×50×15×2.0 766.30 1846.4 41.50圖 1 常規(guī)光伏系統(tǒng)設(shè)計方案 ( 單位 ： mm)由于檁條一般采用C型檁條，為支撐兩側(cè)光伏組件，需采用在檁條側(cè)面中心增加托件的方式，使檁條和托件上側(cè)均可通過螺栓連接組件安裝孔，充分利用了鋼材的抗彎性能。單個大棚的檁條由12根優(yōu)化至7根，鋼材由Q235B級改為Q345B級，而根據(jù)目前的市場價格，鋼材由Q235B級改為Q345B級，價格增加不多。2.2.2 斜梁在原設(shè)計方案中，斜梁為受彎構(gòu)件。由于斜梁水平距離達(dá)4.8 m，跨度較大，因此，為支撐上部光伏組件及抗風(fēng)壓、雪壓，斜梁的尺寸較大。通過在前、后立柱上部增加隅撐，可將斜梁由單跨變?yōu)?跨，有效降低斜梁的最大彎矩，進(jìn)而減小設(shè)計截面大小。優(yōu)化后，單個大棚支架用鋼量為1391 kg，各主材占比如表3所示。其中，檁條為Q345B級鋼，其他為Q235B級鋼。圖 2 組件托件 ( 單位 ： mm)大棚拱形桿基礎(chǔ)頂光伏組件斜梁檁條前立柱26°地坪48004695后立柱3000150040005025M8 螺栓組件安裝孔 9×18M12 螺栓孔 13×40技術(shù)產(chǎn)品與工程SOLAR ENERGY 12/201867表 3 優(yōu)化設(shè)計方案中各主材占比表截面 /mm 重量 /kg 總重量 /kg 占比 /%前立柱 120×80×3.2 75.80 1391.0 5.45后立柱 150×100×3.2 219.38 1391.0 15.77斜梁 100×60×3×4.0 181.05 1391.0 13.02檁條 100×50×15×2.0 447.00 1391.0 32.142.2.3 光伏支架基礎(chǔ)目前，“光伏農(nóng)業(yè)大棚” 基礎(chǔ)主要采用樁基礎(chǔ)或獨(dú)立基礎(chǔ)。預(yù)制管樁基礎(chǔ)由于存在“擠土效應(yīng)”，一般不易施工，且打樁產(chǎn)生的噪音也會影響附近居民。獨(dú)立基礎(chǔ)適用于地面平坦的“農(nóng)光互補(bǔ)”電站3，是一種較為可行的基礎(chǔ)方案；但獨(dú)立基礎(chǔ)一般需要滿足抗彎和抗傾覆要求，因此其截面一般較大，占用了大量的光伏陣列下方的可利用面積，不利于下方農(nóng)業(yè)種植的需求。本文優(yōu)化設(shè)計方案采用一種下沉式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為T型結(jié)構(gòu)，包含下部的灌注式基礎(chǔ)和上部的支撐平臺。上部平臺通過鋼筋籠套在下部鋼筋籠上，頂部預(yù)埋4根地腳螺栓，與支架立柱端板螺栓連接。該基礎(chǔ)剖面圖及俯視圖如圖3所示。經(jīng)比較，單個下沉式基礎(chǔ)的鋼筋混凝土方量為0.175 m3，相比同等技術(shù)要求的獨(dú)立基礎(chǔ)的0.31 m3降低了43.5%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。為進(jìn)一步驗(yàn)證下沉式基礎(chǔ)的安全性，對總長為1.9 m的3根下沉式基礎(chǔ)進(jìn)行了單樁豎向抗拔試驗(yàn)和水平靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基礎(chǔ)豎向抗拔承載力特征值為20 kN，水平臨界荷載統(tǒng)計值為26 kN，均大于支架前、后立柱的最大拔力和剪力。2.3 優(yōu)化前后兩種設(shè)計方案對比優(yōu)化后的設(shè)計方案采用7根檁條支撐上部橫向6排光伏組件，采用隅撐將斜梁由單跨變?yōu)?跨，支架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用下沉式基礎(chǔ)替代原有的獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。優(yōu)化后設(shè)計方案如圖4所示，表4為優(yōu)化前后的光伏結(jié)構(gòu)各主材重量及對比。a. 剖面圖b. 俯視圖圖 3 基礎(chǔ)剖面圖及俯視圖表 4 單個大棚支架用鋼量對比表原方案重量 /kg 優(yōu)化后重量 /kg 優(yōu)化率 /%前立柱 75.80 75.80 0后立柱 219.38 219.38 0斜梁 278.89 181.05 35.08檁條 766.30 447.00 41.67總重 1846.40 1391.00 24.66由表4可知，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，光伏支架總重量相比原方案降低了24.66%，節(jié)約了大量鋼材，降低了投資成本；且優(yōu)化后光伏支架系統(tǒng)現(xiàn)場無焊接工作量，全部采用螺栓連接，系統(tǒng)受力合理，施工簡便。 (轉(zhuǎn)第 74頁) 圖 4 優(yōu)化后光伏系統(tǒng)設(shè)計方案 ( 單位 ： mm)大棚拱形桿基礎(chǔ)頂光伏組件斜梁檁條前立柱地坪4800 4695后立柱300015004000立柱立柱端板支撐平臺地腳螺栓基礎(chǔ)下端1 1支撐平臺螺栓孔端板立柱26°技術(shù)產(chǎn)品與工程SOLAR ENERGY 12/201874接線盒和有助焊劑殘留的接線盒，灌入灌封硅膠并常溫固化7天，等硅膠固化后，通入10 A 電流，用紅外成像儀測量硅膠表面的發(fā)熱情況。在同一位置測試接線盒表面溫度，正常接線盒表面溫度為93.1 ，有助焊劑殘留的接線盒表面溫度為92.8 。因此，二者通電發(fā)熱對比測試基本一致。由此說明，助焊劑殘留對接線散a. 正常接線盒b. 有助焊劑殘留的接線盒圖 7 有接線盒發(fā)熱測試熱性能并無影響。2.6 環(huán)境測試為驗(yàn)證有助焊劑殘留的接線盒在戶外使用的可靠性，取3個有助焊接殘留的接線盒作為測試樣品，分別進(jìn)行環(huán)境測試，具體測試條件及結(jié)果如表1所示。表 1 環(huán)境測試結(jié)果匯總樣品編號 測試條件 測試結(jié)果 判定1# TC 200 樣品無嚴(yán)重外觀缺陷；濕漏電測試為 5000 M 合格2# TC 50+HF10 樣品無嚴(yán)重外觀缺陷；濕漏電測試為 5000 M 合格3# DH 1000 樣品無嚴(yán)重外觀缺陷；濕漏電測試為 5000 M 合格根據(jù)IEC 62790光伏組件用接線盒安全要求和測試標(biāo)準(zhǔn)中5.3.16的規(guī)定，給樣品施加接線盒的額定電壓，絕緣電阻不小于400 M。由表1可以看出，經(jīng)過環(huán)境測試后，樣品的外觀及濕漏電測試結(jié)果均為合格。3 總結(jié)本文主要對接線盒中助焊劑殘留產(chǎn)生的原因和助焊劑殘留對接線盒相關(guān)性能的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：1)助焊劑殘留會影響接線盒與灌封硅膠的粘接性能。2)助焊劑殘留內(nèi)含有與油類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，長時間接觸PPO材料，會產(chǎn)生溶脹或應(yīng)力開裂的現(xiàn)象。3)有助焊劑殘留的接線盒經(jīng)過長時間老化后，存在濕漏電風(fēng)險。4)有助焊劑殘留的接線盒經(jīng)過長時間老化后，助焊劑殘留存在腐蝕金屬件表面的風(fēng)險。3 結(jié)語本文通過對“農(nóng)光互補(bǔ)”光伏結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，大幅降低了光伏系統(tǒng)用鋼量和混凝土方量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益；優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體系受力合理，施工簡便，為今后農(nóng)業(yè)光伏的發(fā)展創(chuàng)造了條件，具有一定的參考價值。參考文獻(xiàn)1 李天下. 太陽能光伏支架系統(tǒng)的應(yīng)用J. 陽光能源, 2010, (10): 70 72.2 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