復雜地形條件下光伏柔性支架應用

楊學明

國家電投集團江西置業有限公司 江西 南昌 330000

能源枯竭問題已成為全球性的重要研究課題，太陽能作為綠色可再生清潔能源受到了廣泛的關注。太陽能能源在我國能源結構中的占比逐年增加。2020年我國在聯合國大會上提出了“雙碳”的目標，光伏發電項目得到了更加快速的發展?，F階段，光伏發電系統的支撐系統主要包含兩類，一類為活動式的支撐系統，另一類是固定式的支撐系統?；顒邮降闹蜗到y主要應用在對太陽位置能夠進行實時跟蹤的發電系統中。本文討論的是光伏項目大量運用的固定式支撐系統。固定式支撐系統結合結構材料特性可以分為剛性支架和柔性支架兩種。傳統的剛性光伏支架主要應用在戈壁、荒漠等平整度較高的場地，傳統剛性支架在地形條件較為復雜的區域適應用性較小，土地資源應用受到限制。近幾年研發出通過預應力拉索體系構成的大跨度柔性光伏支架結構能夠避免地形的復雜性限制，提高土地利用率，解決固定支架土地的局限性。新系統所采用的懸索作為光伏組件的承載占地面積更小，具有更強的場地適應性，能夠適合各類復雜地形條件。柔性組件的自重較輕、剛度小、跨度大等特點導致其抗風性較差，未來需要對其抗風性進行不斷的提升和優化[1]。

1 柔性光伏支架適用性分析

光伏支架的主要功能在于對光伏發電系統中的光伏板起到支撐和固定的作用，柔性支架的組成主要包括立柱、柔性索、斜拉索等，光伏系統的光伏板通常固定在柔性索上，這樣就可以提升跨度，并且可以靈活調節，不僅耗材較少同時也不會占有較大面積，既具備實用性又能夠兼顧經濟性，可以廣泛應用在山地、灘涂以及魚塘等復雜地形條件情況下。表1為普通支架和柔性支架能夠應用的范圍對比，從表中能夠看出，地形較為復雜的污水廠和山地通常會因為剛性的常規支架與可調節支架特點存在著較大難度的施工問題，不僅跨度小、支架基礎多，成本投入較高的問題，適用性并不強。柔性光伏支架結構能夠有效彌補以上問題，柔性支架的場地適應性更強，能夠應用在各種各樣復雜的地形當中，對于深溝或者河道可以通過立柱位置的合理設置進行有效跨越，進而對復雜場地環境的土地資源進行充分利用。柔性光伏支架能夠實現國家倡導的農光互補和漁光互補倡議，積極推動新能源光伏產業融合其他多想產業，是現代化發展和國家建設的重要措施。

表1 柔性支架與普通支架適用范圍對比

需要注意的是，對比傳統剛性固定支架，柔性光伏支架雖然具有較為明顯的優勢，但仍然存在著一些制約因素，具體包含以下幾點：

（1）柔性索的耐久性

柔性索引長期處于惡劣環境的區域當中，長期進行連續的風雪荷載作用，在抗疲勞能力和抗銹蝕能力方面有較高的要求，很難滿足光伏發電站25年的設計使用壽命，也是制約柔性光伏支架快速發展的重要影響因素。

（2）安裝難度大

柔性光伏支架的設計方面能能夠達到較大的跨度，且為了融合多個產業，通常離地較高。這樣就導致光伏光伏板在安裝方面對比地面固定支架具有更高的難度，存在較多的不穩定影響因素，對施工人員的要求也更高。

（3）技術復雜

柔性索在預張拉的程序方面需要確保施工質量，技術較為復雜，對團隊的專業要求較高。

（4）檢修難度大

因柔性光伏支架多應用在復雜地形區域內，檢修難度也對比固定支架更高。

2 柔性支架特點分析

2.1 適用地形條件

柔性光伏支架主要優點是環境適應性強，比固定光伏支架具有更強的優勢：①場地適應性強?？臻g利用率高、地形跨度大、抗風能力較強；②承重更小、用鋼量少、材料用量節省、成本低；③較強結構預裝性、支架基礎數量較少、受溫度影響較小、施工進度可加快、施工周期可縮短。隨著大容量的集中式光伏電站和基地項目的建設指標不斷更新，國家正在積極推廣復合型的光伏項目，如漁光互補、農光互補、林光互補以及分布式光伏等，對比傳統固定支架柔性光伏支架具備更加廣闊的應用范圍和發展前景。

2.2 工序施工安裝

柔性支架系統采用了無粘結的預應力技術，可以通過施加預應力在鋼索上獲得需要的剛度，通過對撐桿和鋼索進行穩定確保系統在風荷載的作用下對風振進行有效的抵御，同時也能夠對鋼索的抗擾度進行有效控制，對變量進行有效的控制。通過專用的連接件進行滑移法進行施工，這樣能夠有效避免安裝過程或者維修對鋼索產生振動的影響，一定程度規避了裂痕的出現。施工工序主要為放線測量挖電纜溝、開挖接地防雷溝后鉆孔并放置鋼筋籠并進行混凝土灌注、安裝鋼結構后進行主鋼索的放線并安裝接地防雷網、張拉鋼索后安裝光伏光伏板后連接電氣進行測試、最后進行驗收。對比傳統固定式支架，柔性支架在施工方面的不同點包括：①柔性支架采用的立柱數量更少，因此樁基的立柱尺寸通常大于傳統的固定支架，需要采用條形基礎或者混凝土的獨立基礎，立柱通常采用廠家預裝的H型鋼柱；②柔性支架的跨度通常較大，因此距離地面的高度通常較高，這樣的情況下施工方法方面通常采用滑移法，在高差比較大的區域則需要通過施工人員采用安全繩懸掛的形式進行安裝，對比常規的地面支架施工具有更高的難度和作業風險；③柔性支架技術的核心在于預應力鋼絞線的張拉，需要具備專業資質的團隊來進行施工。

2.3 后期檢修維護

柔性支架的維護和檢修對比傳統固定支架的難度更大，固定支架的檢修維護通常采用干刷、風吹或者水洗的形式對組件進行清理。但柔性支架的距離地面的高度通常較高，清潔方面通常只能采用水沖的形式。如果光伏組件出現破損或者質量問題，更換難度通常也較大。另外，預應力鋼索進行初始施工時需要采用專業的器械進行預應力的施加，頂端需要配備專門定制的防滑脫錨具，隨著應用時間的增長，會出現也應力損失的問題，加大了鋼索的撓度。運維人員通常無法對這種情況進行有效處理，需要專業的施工團隊進行現場處理。預應力鋼索長期暴露在太陽輻射、酸雨、潮濕或者鹽霧含量較高的地區，長期的振動作用和持續荷載都會對其耐久性造成嚴重的影響。通?？諝庵械难鯕夂退謺c鋼索中的鐵元素進行化學反應，造成鋼絲部分銹蝕，減少截面積，進而降低鋼索的承載能力。鋼索的防護通常為兩種形式，一種是在鋼索表面進行熱鍍鋅工藝或者涂層環氧材料，通過這種形式來對鋼索進行表面的保護，降低銹蝕的可能性；一種是采用PE管外套對鋼絞線或者鋼絲束進行惹急高密度聚乙烯護套進行防護，PE材料具備較高的水密性、氣密性和抗紫外線性能，能夠起到良好的防護作用。維護人員后期也需要對預應力鋼索的狀態進行定期的巡視，對其進行專業及時的維護[2]。

3 柔性光伏支架系統構造設計

3.1 柔性支架系統介紹

柔性光伏支架是一種能夠承受一定程度形變的支架系統，不同于固定的剛性支架能夠在預先設置好的等距離預應力鋼索上安裝光伏組件，預應力鋼索的頂端包括鋼結構和混凝土基礎來進行承載。采用內部剛性斜支撐結合外部張拉斜拉索的形式能夠有效縮短兩端的頂部支撐彎矩。鋼索的功能主要為承重，因此需要具備剛度大、質量輕和柔性大等特點，通過施加充分的預應力能夠產生有效的剛度和支撐[3]。懸索類結構的特點包括：①可承受拉力但不可承受壓力；②鋼索的剛度來源主要為幾何剛度，通常由施工中的預應力來實現；③鋼索處于緊繃狀態下能夠具備線性特征，不緊繃則無線性特征；④施加鋼索的預應力會隨著時間的推移逐漸損失。因此柔性支架具備較大的空間延展性，能夠最大程度利用空間，并能夠根據地形來對跨度進行靈活的調整，將鋼索類結構的受拉強度進行充分發揮。柔性光伏支架結構主要包含兩個體系：柔性系統、支架系統。柔性系統包括穩定鋼索、預應力懸索、光伏組件以及組件固定卡具等；支架系統包括鋼立柱、混凝土基礎、支撐體系、鋼梁等。結合光伏支架的受力特點通常會在結構兩側設置斜支撐和斜拉索進行支撐，光伏組件在承受風雪荷載時通常拉索會出現受力變形的情況，鋼立柱和斜拉索、斜支撐能夠抵御多方向的力。

3.2 柔性支架設計

3.2.1 光伏組件-鋼絞線連接結構

光伏光伏板一半會通過四塊壓板固定連接在柔性索上，柔性索除了光伏板以外還需要增設連桿，以此來對柔性索進行位置的固定，這樣能夠避免柔性索因外力的影響出現擺動的情況，降低外力對光伏板水平的干擾。

需要注意的是壓塊需要結合光伏光伏板的組件邊框尺寸進行匹配生產。為了避免光伏板因為風吸力的作用出現上浮回落的情況造成光伏板出現損傷，需要通過繩夾和螺栓來對鋼絞線和光伏組件進行固定，同時需要設置倒鉤進行上浮預防，圖1為連接的截面。

圖1 光伏組件-鋼絞線連接截面示意圖

3.2.2 鋼絞線-支架連接結構

柔性支架體系的核心為主柔性索，需要確保其與頂端和中部的支架進行牢固的連接。如圖2中的柔性支架結構頂端支架處固定的鋼絞線，這種方法有較高的錨固要求，需要保障預張拉程序結束后鋼絞線能夠牢牢地進行錨固。需要注意的是，錨具外需要預留1.5-2.0m的鋼絞線，這樣能夠進行有效的預張拉[4]。同時，頂端支架是整個支架體系中水平負荷最大的位置，會對混凝土基礎產生較大拉拔力和剪力。因此通常在頂端支架外部增設斜拉桿來提升柔性支架體系的穩定性和安全性，通過單雙錨桿來進行土層穩定性的提升。

圖2 鋼絞線-端部支架連接結構圖

3.2.3 組件保護結構

柔性光伏支架因跨度較大必不可少地會受到強風的干擾，進而出現大幅度的水平擺動，嚴重者甚至會損壞光伏光伏板。因此柔性光伏支架需要通過設置削弱外力干擾措施來對光伏光伏板進行保護，延長其應用壽命。采用間斷設置連桿的形式能夠降低外界影響造成損傷光伏光伏板的情況，也能夠避免鋼絞線振動對光伏光伏板的沖擊。連桿上同時增設拉環與防風纜繩進行連接，另一端與頂端或者中部立柱的地步進行固定連接也額能夠避免光伏光伏板因為風吸力造成上浮回落的情況，對光伏光伏板造成不必要的損壞[5]。圖3為連桿-鋼絞線連接結構圖，圖4為連桿防風纜繩連接結構圖。

圖3 連桿 -鋼絞線連接結構圖

圖4 連桿防風纜繩連接結構圖

需要注意的是進一步對防風纜繩的結構進行優化能夠更好地避免連桿和防風纜繩的過度固定約束，進一步提升柔性光伏體系的抗風能力。在防風纜繩另一端設置緩沖功能的彈性構建也可能夠提升抗風阻尼，確保強風狀態下柔性支架的變形能夠放緩，有效減輕強風對支架的沖擊力，圖5為緩沖彈性結構圖。

圖5 中部緩沖彈性結構圖

4 結束語

綜上所述，傳統的光伏固定支架系統在地形應用方面存在著一定的限制，柔性光伏支架系統的跨度更大、占地面積更小、環境適應性更強，能夠廣泛應用在復雜地形當中。柔性光伏支架在設計和維護方面更加注重整體的穩定性和應用型，操作及維護方面的重點也主要為抗風能力、鋼配件的防腐蝕等方面。隨著國家投入更多的研發力量和專業團隊，光伏柔性支架系統會朝著更加耐用、經濟和安全的方向發展，具有良好的發展前景。