模塊化大跨度水上光伏支撐系統

喻旭明，張 可，陳睿鋒*

(1.中廣核太陽能(嘉興)有限公司，嘉興 314300；2.浙江中南綠建科技集團有限公司，杭州 311400)

0 引言

2022 年6 月1 日《“十四五”可再生能源發展規劃》正式發布，中國針對2035 年遠景目標及2025 年非化石能源消費占比20%的任務要求，提出了“十四五”期間可再生能源的發展目標；針對可再生能源發電目標，提出了2025 年可再生能源發電量達到3.3 萬億kWh 左右、“十四五”期間風電和光伏發電量相較于“十三五”翻倍的要求。光伏發電作為可再生能源發電的主力軍，對實現能源結構調整具有重大意義。

目前，光伏支撐系統主要分為固定式光伏支撐系統及漂浮式光伏支撐系統。常見的漂浮式光伏支撐系統采用聚乙烯塑料浮筒+錨固系統的形式，因浮筒具有強度低、耐久性差、易破損沉沒等缺點，導致此種光伏支撐系統的應用不及固定式光伏支撐系統(即固定式光伏支架)廣泛[1]。固定式光伏支架主要分為剛性光伏支架和柔性光伏支架，剛性光伏支架主要通過斜支撐檁條、前后立柱支撐光伏組件；柔性光伏支架主要通過預應力鋼索承擔其上部光伏組件的荷載，具體如圖1 所示。

圖1 固定式光伏支架常見類型Fig. 1 Common types of fixed PV bracket

常見的柔性光伏支架的主要缺點包括：1)索結構撓度大，易使其上方光伏組件之間發生碰撞、擠壓，損壞光伏組件；2)結構整體對風荷載較為敏感，風致振動較大，風荷載與結構相互耦合，結構受力及變形分析較為困難[2-3]；3)對于采用打樁方式的光伏支架或單樁費用較高的情況，索結構經濟性差，單樁覆蓋面積也較小。

常見的剛性光伏支架也存在單樁覆蓋面積小，經濟性差的缺點。同時，常見的柔性和剛性光伏支架應用于水上場景時，都存在施工作業困難的問題。水上大跨度光伏電站采用柔性光伏支架時，在打樁完成后，需通過樁上連接構件將預應力鋼索進行張拉，再在其上方鋪設光伏組件。此類施工面臨的難點主要有：1)預應力鋼索布置及張拉時需運輸船來回進行牽引，往返多趟降低了施工效率；2)樁上連接構件的安裝、調整及預應力鋼索的張拉均需要現場完成，很難保證施工品質；3)鋪設光伏組件時，需要由運輸船將工人送至不同安裝點后再進行鋪設，施工效率低，特別是跨中位置離兩邊樁基較遠時，施工難度大。目前常見的剛性光伏支架很少用于海上，因為海上環境較難進行光伏組件與光伏支撐結構的安裝，相較于柔性光伏支架，剛性光伏支架由于所需樁基較多，水上安裝效率更低。

為了解決光伏支架中單樁覆蓋面積小和水上施工困難的問題，本文提出一種模塊化大跨度的水上光伏支撐系統方案。該光伏支撐系統主要針對的問題為樁身較長、成本高、施工困等，因此本文以該光伏支撐系統在海上的應用為例進行說明。

1 模塊化大跨度水上光伏支撐系統介紹

該光伏支撐系統主要包括3 部分：1)主梁檁條與高度可變化的檁托組合形成傾角可調的光伏組件支撐結構；2)主梁與樁的斜支撐組成的結構；3)主梁的抗傾覆結構。

第1)部分采用主梁作為連續受力構件，可減少樁的使用數量，提高支架下部空間布置的靈活性，且對于打樁及單樁費用較高的情況(如大跨度結構海上打樁)，可有效降低費用。主梁上通過設置變高度檁托，用于調節光伏組件安裝傾角，使其處于最佳傾角，以提高光伏組件發電效率，如圖2a 所示。檁條支撐于光伏組件中部，留出一定懸挑，從而使彎矩在單塊光伏組件的分布更為均勻，受力更為合理。

圖2 模塊化大跨度水上光伏支撐系統細部圖Fig. 2 Details of modular long-span aquatic PV support system

第2)部分采用含有預埋套箍的預制樁，便于主梁與樁的斜支撐安裝，如圖2a 所示，從而減小主梁面內的計算長度，協同傳力至下部預制樁，使主梁設計更為經濟。

第3)部分在預制樁上部焊接板件，在板件上將斜支撐與主梁上翼緣相連，如圖2b 所示，從而抵抗主梁傾覆，提高安全性。本系統采用標準化構件進行設計，實現模塊化施工。

2 模塊化大跨度水上光伏支撐系統算例及費用對比

以浙江省嘉興市海鹽縣某光伏發電項目為例，該項目的主要荷載信息為：光伏組件荷載0.15 kN/m2，基本風壓0.70 kN/m2，雪荷載0.35 kN/m2。此項目中風荷載取值較大是考慮到光伏支撐系統的抗臺風能力，因而將當地基本風壓0.45 kN/m2提至為0.70 kN/m2。光伏組件安裝傾角為10°，參照相關規范[4-7]，對此荷載下的光伏支架分別采用傳統的剛性光伏支架、柔性光伏支架及模塊化大跨度水上光伏支撐系統進行設計。

當采用傳統的剛性光伏支架(如圖1a 所示)時，經測算，上部鋼結構所需單位用鋼量為7.865 kg/m2，單樁覆蓋面積為16.25 m2。因上部鋼材較多采用的是薄壁型鋼，鋼材價格取8000 元/t；因樁上部荷載和樁徑較小，樁成本取7000 元/根，從而可得光伏支撐結構成本為493.7 元/m2。設鋪設的光伏組件的輸出功率為206.5 W/m2時，則單位發電成本為2.4 元/W。

當采用傳統的柔性光伏支架(如圖1b 所示)時，經測算，鋼索的單位用鋼量為1.38 kg/m2，單樁覆蓋面積為27.5 m2。當鋼索的價格為17000元/t、樁成本取為8000 元/根(上部荷載較大導致樁徑較大，從而成本較高)時，可得光伏支撐結構成本為314.4 元/m2。若光伏組件的輸出功率為206.5 W/m2，則單位發電成本為1.52 元/W。

當采用本模塊化大跨度水上光伏支撐系統時，上部主要鋼構件為鋼梁及Z 型鋼檁條，總用鋼量為20 kg/m2，單樁覆蓋面積為100 m2。因主鋼梁加工費用較高，鋼材價格為10000 元/t，上部荷載同樣較大，因而樁成本取8000 元/根，光伏支撐結構成本為280 元/m2。光伏組件輸出功率取206.5 W/m2時，單位發電成本為1.36 元/W。

通過對比費用可見，模塊化大跨度水上光伏支撐系統方案最具經濟性，雖然其上部用鋼量較大，但單樁覆蓋面積也大幅增加，從而很大程度降低了樁的費用，使總成本下降。

3 模塊化大跨度水上光伏支撐系統施工方案

本模塊化大跨度水上光伏支撐系統的配套施工方案包括3 個步驟：1)光伏支撐結構與光伏組件的模塊化組裝；2)利用帶有卡槽的構件使光伏支架堆疊，然后進行連續吊裝及運輸；3)光伏支撐系統的整體安裝。

第1)步：采用本文第1 節提到的標準化設計將光伏支撐結構分成若干相同模塊(下文簡稱為“結構模塊”)以實現模塊化施工。光伏支撐結構與光伏組件在陸地進行組裝，免去后期在水上進行結構吊裝、安裝的過程，既可以提高施工效率，又能保證施工質量及施工安全。

吊裝前鋼梁之間設置支撐以承受壓力和剪切力，從而保護檁條及光伏組件。在每榀結構模塊的主梁兩端設置水平支撐，以承受結構模塊吊裝時吊繩產生的水平力，從而避免檁條和光伏組件承受此水平力而產生彎曲和被損壞；在每榀結構模塊的主梁之間設置兩道斜支撐，防止吊裝過程中結構模塊傾斜或吊繩用力不均所導致的結構剪切變形。此兩道斜支撐只考慮拉力而不用考慮壓力。通過吊繩將結構模塊安裝于主梁上，在主梁首末兩端一定位置處設置吊裝點，使結構正負彎矩分布更為均勻，如圖3 所示。

圖3 結構模塊的吊裝示意圖Fig. 3 Schematic diagram of hoisting of structure modules

第2)步：使用自主設計的帶有卡槽可供結構模塊堆疊的構件(兩種構件可供選擇，如圖4所示)，將組裝完畢的結構模塊吊裝，堆疊放置在運輸船上。構件牛腿處設有卡槽，可確保結構模塊堆疊運輸時的穩定性、避免擠壓，多層疊放的方式可提高運輸效率。該構件方便拆卸，后期每吊裝、安裝完1 榀結構模塊后可隨即取出，方便下一榀結構模塊的吊裝及安裝。

圖4 兩種輔助結構模塊堆疊的構件Fig. 4 Two types of components assist in structural module stacking

第3)步：通過水上吊裝船將結構模塊吊裝至指定位置，通過下部定位卡件實現與樁身的對接，然后焊接連接部位，如圖5 所示。重復吊裝及安裝步驟，即可將結構模塊安裝為指定形狀及面積大小的水上光伏支撐系統。本施工方案使光伏支撐系統實現模塊化組裝、吊裝、運輸及安裝，最終建成滿足設計要求的形狀及大小的大跨度水上光伏支撐系統。

圖5 結構模塊與樁身的對接及組裝Fig. 5 Connection and assembly of structural module and piles

4 光伏支架鋼結構的防銹、涂裝措施

鋼材的銹蝕是一種電化學腐蝕。鋼材表面化學成分的不均勻性使微觀晶體產生電位差，當大氣環境中的水分在鋼材表面形成水膜時，含有雜質的水可作為電解液，與空氣的氧氣共同作用形成眾多微小的原電池，這些電池不斷反應生成腐蝕產物，從而逐漸破壞鋼材。根據標準[8-12]，本文提出了鋼結構防腐、涂裝方案，使光伏支架鋼結構在此種環境下具有抗銹蝕能力，保證原有設計功能的實現，具體方案如下：

1) 鋼構件所用鋼材表面初始銹蝕等級不應低于B 級，涂裝要求防腐年限不小于15 年。防腐、防銹所采用的涂料、鋼材表面的除銹等級及鋼結構防腐蝕要求應符合CECS 343—2013《鋼結構防腐蝕涂裝技術規程》和GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評守 第1 部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級和處理等級》的規定。

2) 構件在高強度螺栓連接范圍內的接觸表面采用噴砂或拋丸處理，保證摩擦系數≥0.40。

3) 鋼構件在制作完畢后應進行除銹處理，除銹等級為Sa2 1/2 級，防腐做法如表1 所示。

表1 光伏支架的防腐做法Table 1 Anti corrosion method of PV bracket

4) 現場焊接構件，并在現場焊接場地范圍內進行油漆涂刷。

5) 螺栓孔應采用鉆成孔，安裝時螺栓應能自由穿入孔內，不得強制敲打或氣割成孔。

6) 單個構件制作完畢后，應立即編號并分類放置。

7) 對構件的鉆口等位置進行檢查、補漆。

8) 鋼結構安裝合格后，對現場焊接的焊縫及周圍位置采用手工除銹處理，補刷底漆和中間漆，同時對在運輸或安裝過程中油漆損壞部位進行修補。中間漆修補完成并驗收合格后，方能涂裝防火涂料或面漆。

9) 在使用過程中應對鋼結構防腐蝕涂裝進行全壽命周期內的定期檢查和維修，并由項目業主和防腐施工單位、防腐材料供應商在工程建造時制定維護計劃。光伏支架投入使用后按照該維護計劃進行定期檢查，并根據檢查結果進行維護，必要時進行大修。

5 結論

本文提出了一種模塊化大跨度水上光伏支撐系統，對該光伏支撐系統的配套構件及系統的施工方案進行了介紹。并以某光伏發電項目為例，對比得出模塊化水上光伏支撐系統可節約成本、提高施工效率。該光伏支撐系統主要優點如下：

1) 單樁覆蓋面積大幅增加，從而降低單位面積樁身費用及打樁成本，對于此部分費用較大的情況(如水上大跨度結構打樁)，具有較好的經濟性。

2) 主梁上的檁條與高度可變的檁托組成的可調節傾角的光伏組件支撐構造，使光伏組件可調整到最佳安裝傾角，提高光伏組件發電效率。

3) 自主設計的帶有卡槽的構件可供結構模塊堆疊，可避免堆疊放置的光伏結構相互擠壓，多層疊放的方式可提高運輸效率。此構件方便拆卸，后期每吊裝、安裝完1 榀結構模塊后可隨即取出，方便下榀結構模塊的吊裝及安裝。

4) 整個光伏支撐系統采用標準化設計，模塊化施工，從而降低海上作業難度，大幅提高施工效率。