复杂山地的柔性光伏布设及桩位选取

复杂山地的柔性光伏布设及桩位选取

陈相成

( 国核电力规划设计研究院有限公司 北京 100095）

摘要：本文针对复杂山地柔性光伏项目中光伏布设及桩位选取等关键环节，结合实际项目方案编制中的经验，对设计流程进行总结与综述，为后续相关项目提供参考。

1 概述

门头沟下马岭电厂光伏项目位于北京市门头沟区下马岭电厂北侧山地，总装机量6138.66 kWp，在项目设计过程中，通过选择合理技术，克服了不良地质条件，解决了柔性光伏在复杂山地区域布设的难题，最大限度利用了有限的山体空间，降低了工程综合造价，取得了较好实践效果。

2 设计过程

2.1 工程地质条件

下马岭电厂建于1958年，电厂建设前，对珠窝水库至电厂主厂房间引水隧洞所在范围及周边山体区域进行了详尽的地质测绘和勘察工作。根据《下马岭水电站初步设计书 第三卷 工程地质条件》，本地区底层为下寒武纪之下马岭层与景几岭层，另有玢岩与霏细岩岩床侵入体。主要岩体如下：

玢岩：为中性火成岩侵入体，新鲜面灰绿色，风化面呈黄褐色。主要成分为斜长石，角闪石，有时含铁矿与其他矿物等。呈明显斑状结构，斑晶为长石，石基成分以云母及暗色矿物为主。柱状解理发育，风化较深。

霏细岩：为中性火成岩侵入体，分布于秦玉沟内厚约20公尺。新鲜断面为灰绿色，风化后呈黄褐色。组织致密为细晶质，成分肉眼观察不清。岩性较坚硬，比玢岩难风化，但与玢岩无明显界线，二者呈过渡形式。

岩石的物理力学性质如下：

根据资料可知，本项目山体部分场址工程地质条件良好，适宜进行光伏发电系统建设。但由于电厂建设时期开挖引水隧洞，导致山体中部有较大范围的开挖碎石堆积区域，厚度约3~5m，不适宜作为光伏支架基础的地基，需不布设或采取跨越方式避开。

2.2 光伏建设方案

山地光伏位于电站北侧山坡，项目所在地山体陡峭，地形较为复杂，平均坡度约30°，局部可达40°，山体生长有密集灌木丛，高约1.5~2.0m，大型机械难以行进，山体覆土约20cm，下部为硬质基岩。若按传统地面光伏施工，需要进行除草、场地平整、开辟道路等工作，打桩等工作，施工量和施工难度都非常大。另外，传统地面光伏抬升高度有限，组件必需随坡布置，难以跨越不利地形，土地利用率有限，同时组件朝向会随山体朝向变化，会影响发电效率。

通过比较现有的光伏支架方案，选取大跨距柔性光伏支架方案，此方案通过对钢绞线施加预应力产生刚度来承受组件自重、雪荷载和风荷载，从而达到支撑组件发电的目的。具有高净空和大跨据的特点，能在很大程度上克服山地地形变化的影响，有效提升土地利用率。

2.3 光伏柔性支架设计

柔性架是一种预应力自适应支撑体系，由索网、支撑系统、锚固系统等组成，通过将光伏组件固定在张紧于两柱间的钢绞线上的方式来简化组件支撑系统，利用张紧的钢绞线的轴向拉力抵抗组件自重、雪荷载和风荷载。

柔性支架结构体系

柔性支架结构刚度较低，对应的自振频率较低，属于对风载荷特别敏感结构，在柔性支架的结构设计和计算中需要特别考虑风致振动问题。为解决这些问题，柔性支架近年来也创新迭代，由最初的单层索结构，升级双层索结构，又为满足一些高风压区域并设计了刚性柔性支架（索桁架结构），能够提升柔性光伏支架的抗风能力并实现大跨距。

大跨距柔性光伏支架通过桁架结构能有效控制索系的扰度，利用快装夹具实现组件的快速安装，通过抗风索抑制风振，避免组件发生隐裂。

在sap2000中对柔性光伏支架支架结构进行计算分析，柔性光伏支架主要受力部件为钢索，索为线弹性材料，只承受轴力而不产生弯矩和剪力。选用考虑刚度修正系数的框架单元,将框架截面属性中的惯性矩系数设为极小数值,从而几乎不考虑抗弯刚度，并通过内置几何非线性属性模拟大变形效应，可较好的对柔性支架钢索结构进行模拟分析。

验算结果表明，支架整体强度应力比、支架及索结构变形、应力校核均满足要求，经方案比选，在保证结构安全、稳定前提下，采用30m大跨度方案，以适应本项目复杂地形，实现较好的综合效果。

2.4 基础选型及施工方案

本项目场地基岩强度较高，开挖较困难，山地坡度较大，施工困难，不利于大型机械作业。经对常用基础形式的综合比选，初步选用锚桩基础。锚桩基础适用于中硬场地土，尤其是开挖比较困难的岩石地基。优点是施工较快，造价相比灌注桩、独立基础、条形基础低，缺点是需机械挖孔，对现场施工条件有一定要求。

地锚桩基础选用热浸镀锌 Φ100x8mm 钢管，初步确定基础入地面以下深度2.0m，钢管顶面高出场区地坪 0.2m，空隙用 C30 细石混凝土填充，打孔直径200mm，深度 2.1m。光伏阵列支架立柱与地锚桩钢管相互嵌套，采用三个定位螺栓、一个对穿螺栓的连接方式。

目前山坡型光伏电站普遍采用履带式液压打桩机打桩，机器爬坡有一定的限制，一般厂家限值在30~35°。本项目山体坡度较陡峭，施工前应规划机械行进路径，开辟施工道路，确保作业坡度小于限值。对于山坡陡峭，或因障碍物导致机械无法到达的区域，可采用潜孔钻机进行人工作业。

2.5 光伏布置方案

根据柔性光伏支架的最大跨度，结合下马岭电站附近地形图，进行山地光伏布设及桩位布置工作。首先在软件中建立山体的三维模型，对山体进行阴影分析，确定可以进行光伏布置的区域；再根据山体方位角走向，结合柔性光伏跨越能力，将山体划分为若干单元；最后按分区进行组件布置和发电量计算。

在北半球，对应最大日照辐射接收量的平面为朝向正南，需保证冬至日（一年当中物体在太阳下阴影长度最长的一天）上午9：00到下午3：00，光伏组件间南北方向无阴影遮挡。本项目所在山体朝向以东南、南为主，经光照分析可知，大部分区域可以满足光照条件要求，但在中部山谷存在阴影遮挡较为严重的区域，不宜进行光伏布置。

在三维设计软件中进行二次开发，编制计算程序，采用基于山体点云模型的聚类算法，根据山体方位角、倾角，结合柔性光伏跨越能力，以相邻跨索夹角及跨内最低点距离山体距离为约束条件，将山体划分为A~F单元。区域间在交接线处布桩，区域内按最大跨度、相邻跨索夹角、跨内最低点距山体距离约束平行布桩。

山地光伏分区及装机容量

按柔性支架跨度不超过40m，桩间距5~6m的原则进行桩位布置，并在山体坡度变化处增设桩位防止组件与山体植被碰撞。位置如下图所示（沿白色粗实线布桩）：

桩位布置图

3 总结

经测算，本项目静态投资2380.99万元。由于采用了合理的结构形式和布设方案，项目单位千瓦综合造价仅3755.51，较同规模常规布设方案山地光伏单位千瓦造价（约4300元）低约12.6%，具有较好的经济效益。

本项目作为创新示范型项目，涉及复杂山体、不良地质等外部条件，具有一定技术复杂度。采取适合项目场址的柔性光伏综合解决方案及相应山体划分计算方法，按期完成方案交付，获得了业主的好评。作为北京地区首个同类项目，本项目设计经验对后续同类设计具有一定的参考意义。