1.技術(shù)原理及方案設計

1.1技術(shù)原理

柔性支架采用兩固定點(diǎn)之間張拉預應力鋼絞線(xiàn)的方式，兩固定點(diǎn)采用鋼性基礎提供反力，可實(shí)現10～30m大間距。這種設計可規避山地起伏、植被較高等不利因素，僅在合適的部位設置基礎點(diǎn)并張拉預應力鋼絞線(xiàn);同時(shí)在水深較深的漁塘也可以在保持水位不動(dòng)的條件下，實(shí)現基礎及柔性支架的施工。

設計中，鋼絞線(xiàn)作為組件安裝的固定支架，計算時(shí)需考慮自重，以及風(fēng)壓、雪壓不同荷載組合下的工況，并進(jìn)行受力分析。區別于傳統支架的剛性變形要求的嚴格限制(主梁為L(cháng)/250，次梁為L(cháng)/200[1])，柔性支架對變形沒(méi)有嚴格限制，目前可根據實(shí)際情況采用撓度容許值L/30～L/15，在這種變形條件下不影響鋼絞線(xiàn)的力學(xué)性能，因此，柔性支架可以更好地適應大跨度方案，同時(shí)可控制好總造價(jià)。柴油發(fā)電機組

1.2基礎設計方案

柔性支架方案是把傳統鋼性支架方案的檁條改為鋼絞線(xiàn)的方式，其特點(diǎn)是鋼絞線(xiàn)采用先線(xiàn)法提供預拉力，組件安裝后在不同工況受力條件下允許鋼絞線(xiàn)有一定的變形(本文按撓度容許值L/30論述)，從而實(shí)現10～30m的大跨度支架，可滿(mǎn)足不同地形的需要。由于鋼絞線(xiàn)張拉預應力的存在，柱頂均會(huì )產(chǎn)生較大的水平拉力，導致基礎底部彎矩較大，因此一般設計采用在柱頂用斜拉或支撐的方案平衡預拉力產(chǎn)生的水平力，以滿(mǎn)足柱底抗傾覆的受力要求。

根據柔性支架的整體設計方案及受力特點(diǎn)，基礎形式可采用圖1、圖2兩種形式。

1)基礎方案1：采用兩個(gè)基礎，一個(gè)是鋼立柱基礎，主要提供柔性支架豎向力的反力;另需配備一個(gè)斜拉索基礎，承擔鋼絞線(xiàn)產(chǎn)生的水平力，并承擔向上的拉力及向右的拉力，斜拉索基礎屬于配重式。

2)基礎方案2：采用兩個(gè)基礎，一個(gè)是鋼立柱基礎，主要提供柔性支架豎向力的反力;另需配備斜撐柱基礎，承擔鋼絞線(xiàn)產(chǎn)生的拉力，且鋼絞線(xiàn)對斜撐柱基礎產(chǎn)生向下壓力及向右的推力。斜撐柱基礎底面積相對基礎方案1略小。

1.3支架設計方案

根據光伏組件的排布方式，柔性支架方案可分為橫排和豎排兩種(見(jiàn)圖3、圖4);根據跨長(cháng)可采用單跨和多跨的方案，但因場(chǎng)地條件限制，單跨往往不能滿(mǎn)足需要，則需要采用二跨、三跨，甚至更多，中間支座可采用搖擺柱方式有效控制鋼絞線(xiàn)的撓度。

支架與端柱及中間柱的連接均要求采用鉸接固定方式，以減小應力集中;同時(shí)鋼絞線(xiàn)張拉安裝方便，便于縮短工期、節省造價(jià)。

1.4支架適用范圍分析

由于柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調的優(yōu)勢，因此其適用范圍更廣，包括：

1)適用山地坡度、起伏較大的地區，同時(shí)不受植被高低等因素的影響;

2)適用于漁塘、灘涂等地區，突破傳統支架受限于水深、區域大小等條件，通過(guò)柔性支架10～30m的大跨度方案優(yōu)勢，以及中間可另設支撐柱等方案，解決漁塘、灘涂等地區傳統支架無(wú)法施工及安裝的難點(diǎn);

3)適用于污水廠(chǎng)水池頂部，因污水廠(chǎng)水處理工藝的要求，大體積水池內部無(wú)法安裝支架基礎，柔性支架可巧妙規避這一難點(diǎn)，使污水廠(chǎng)水池建設光伏電站成為可能。

2.1研究?jì)热菁胺椒?/p>

光伏組件柔性支架系統是一種新型的支撐體系，通過(guò)將光伏組件固定在張緊于兩柱間的鋼絞線(xiàn)上的方式來(lái)簡(jiǎn)化組件支架系統。這是一種新型結構，在行業(yè)規范與標準中沒(méi)有充足的設計依據;且該系統利用張緊的鋼絞線(xiàn)的軸向拉力抵抗組件重力、雪荷載和風(fēng)荷載等橫向荷載，屬于幾何非線(xiàn)性受力體系，受力與變形特征復雜。

為了合理設計柔性支架系統，保證其在不同工況下能夠安全服役，同時(shí)也為其后續設計優(yōu)化提供支撐，有必要研究不同工況下支架系統的受力與變形規律。

受力計算時(shí)可采用理論分析與數值模擬兩種方法，兩種方法互相驗證、互相補充。

柔性支架的設計需考慮自重、風(fēng)壓、雪壓不同荷載組合下的工況受力。對于主要受力結構，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標準值wk為：wk=βzμsμzw0(1)式中，βz為高度z處的風(fēng)振系數;μs為風(fēng)荷載體型系數;μz為風(fēng)壓高度變化系數;w0為基本風(fēng)壓。對公式中的參數取值重點(diǎn)說(shuō)明：

1)計算基本風(fēng)壓時(shí)，因空氣密度越大，風(fēng)壓也越大，為安全起見(jiàn)，取-20℃時(shí)的空氣密度值，即1.396kg/m3(20℃時(shí)為1.205kg/m3)。

2)風(fēng)壓高度變化系數應按實(shí)際高度考慮，如組件高度為10m情況下，根據GB5009-2012《建筑結構荷載規范》，A類(lèi)的風(fēng)壓高度變化系數為1.28，B類(lèi)為1.00，C類(lèi)為0.65，D類(lèi)為0.51。

3)風(fēng)振系數：組件為風(fēng)敏感結構，應考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對結構產(chǎn)生風(fēng)振的影響。如組件高度為10m時(shí)，根據GB5009-2012《建筑結構荷載規范》，則不同地面粗糙度時(shí)的風(fēng)振系數分別為：A類(lèi)1.60、B類(lèi)1.70、C類(lèi)2.05、D類(lèi)2.40。

4)風(fēng)荷載體型系數是指風(fēng)作用在構筑物表面一定面積范圍內所引起的平均壓力(或吸力)與來(lái)流風(fēng)的速度壓的比值，它主要與構筑物的體型和尺度有關(guān)，也與周?chē)h(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。

2.3荷載組合

根據柔性支架安全情況，荷載組合可分為僅考慮結構自重、考慮自重與雪荷載共同作用、考慮自重與風(fēng)荷載共同作用下的3種情況。這3種受力情況下荷載計算與組合形式不同，受力分析時(shí)，對不同的荷載效應進(jìn)行組合，形成不同工況。同時(shí)，環(huán)境溫度的變化會(huì )導致鋼絞線(xiàn)膨脹或收縮，從而造成預應力的變化，并引起鋼絞線(xiàn)位移增大或縮小。因此，一方面應保證在溫度上升達到設計最高值時(shí)，鋼絞線(xiàn)位移仍然滿(mǎn)足剛度條件;另一方面保證在溫度降低到最低值時(shí)，鋼絞線(xiàn)應力不超限。

2.4張拉工序

1)應先張拉前(下)鋼絞線(xiàn)，后張拉后(上)鋼絞線(xiàn)。張拉后鋼絞線(xiàn)時(shí)對前鋼絞線(xiàn)的影響較小，而張拉前鋼絞線(xiàn)會(huì )造成后鋼絞線(xiàn)較多的應力損失。

2)若將前鋼絞線(xiàn)預應力直接張拉至期望值，則由于后鋼絞線(xiàn)未張緊，端柱會(huì )產(chǎn)生較大扭矩，發(fā)生扭轉變形。這不僅威脅結構安全，同時(shí)會(huì )造成前鋼絞線(xiàn)連接處在張拉過(guò)程中位移增大，影響預應力控制精度。為了避免端柱截面產(chǎn)生較大扭矩，可進(jìn)行多遍張拉。例如，第1遍張拉將前鋼絞線(xiàn)預應力張拉至0.2倍預應力，再將后鋼絞線(xiàn)張拉至0.2倍預應力;第2遍張拉前鋼絞線(xiàn)至0.4倍預應力，再將后鋼絞線(xiàn)張拉至0.4倍預應力;如此循環(huán)直到達到期望預應力值。

3)若搖擺柱對鋼絞線(xiàn)軸向變形無(wú)約束，鋼絞線(xiàn)可單邊張拉;若搖擺柱約束鋼絞線(xiàn)軸向位移，鋼絞線(xiàn)應左右對稱(chēng)張拉，以避免張拉過(guò)程造成搖擺柱側向受力。

2.5方案設計建議

1)因短跨度方案與長(cháng)跨度方案相同條件下所需要的鋼絞線(xiàn)預應力相同，對端柱及中柱的作用力相同，因此設計中除根據實(shí)際情況考慮跨度外，優(yōu)先選擇長(cháng)跨度方案。

2)中柱為搖擺柱時(shí)，計算表明搖擺柱與鋼絞線(xiàn)在迎面來(lái)風(fēng)時(shí)側向轉運明顯，與鋼絞線(xiàn)組成幾何可變體系，不穩定，因此應從構造上從中柱頂端提供有效水平力，避免中柱抗彎受力。

3)計算表明，鋼絞線(xiàn)直接錨固于柱體上時(shí)，鋼絞線(xiàn)在柱體連接處彎曲變形明顯，鋼絞線(xiàn)與端柱相接處應設為鉸接，避免鋼絞線(xiàn)局部彎曲過(guò)大，強度失效。

地面電站采用柔性支架與普通支架對比

適用范圍對比表2為柔性支架與普通支架適用范圍的對比。

3.2施工安裝及檢修維護

3.2.1施工安

采用柔性支架的光伏電站與常規地面光伏電站的施工不同。

1)柔性支架基礎一般采用混凝土獨立基礎，立柱采用焊接H型鋼柱，獨立基礎與鋼柱均比常規地面支架的基礎及立柱要大很多。

2)受柔性支架跨度較大且離地高度較高的影響，一般采用安全繩懸掛施工人員進(jìn)行安裝的方式，相比地面施工方式增加了施工難度及不安全因素。

3)鋼絞線(xiàn)的張拉技術(shù)含量較大，需要專(zhuān)業(yè)的施工單位才可以完成。

3.2.2檢修維護

采用柔性支架的光伏電站檢修及維護相對常規地面電站難度要大。常規地面電站常采用風(fēng)吹或水洗的方式，而因柔性支架離地高度較高，因此一般只能采用水沖的方式;同時(shí)，對出現質(zhì)量問(wèn)題的組件，更換難度也偏大。因此，在組件采購時(shí)應嚴格質(zhì)量檢測及管理，避免后期因質(zhì)量原因產(chǎn)生的組件更換。

結束語(yǔ)

我國光伏發(fā)電項目柔性支架尚處于探索階段，實(shí)際案例為數不多，已建成項目以污水處理廠(chǎng)為主，尚未出現用于山地、水塘、漁塘等地的柔性支架。由于目前西北地區荒漠、戈壁用地緊張，在條件良好的山地越來(lái)越少的局面下，傳統支架的適用局限性越來(lái)越嚴重，而柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調的優(yōu)勢，在光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路上更具有推動(dòng)意義。