光伏基础选型综述 Summary:本文针对屋顶、地面、水面等多种光伏形式特点,结合作者参与的多个实际项目方案编制中的经验,对光伏支架基础的选型流程进行总结与综述,为后续相关项目提供参考1 引言近年来,随着技术成熟、成本降低以及国家“双碳”政策的落地,各地光伏项目逐渐增多针对项目场址形式,光伏支架基础形式主要包括屋面连接固定、混凝土配重块基础、漂浮式基础、桩基础等几种2 直接连接或配重块基础屋面光伏的固定形式分为连接件固定、附加结构固定、混凝土配重块等对于采用直立锁边或角驰型压型钢板的轻钢屋面、预留埋件的混凝土平屋面,或承载力较低的屋面,如轻钢结构屋面或采用预制板作为屋面的民用房屋,可采用连接件固定方式,具体措施包括铝合金夹具固定、膨胀螺栓固定、胶粘固定等此方式具有成本低、施工快捷、荷载小、不影响屋面使用等优点,是优先采用的光伏固定方式夹具安装方式利用特定的光伏系统夹具,在原屋面板波峰上方放置金属夹具,金属夹具夹持于屋面波峰上,不破坏原有的彩钢瓦及防水层,保证屋面的防水性安装光伏组件后对厂房的通风、采光、防水、排水无影响对于瓦屋面,若屋面檩条较为坚固且便于施工,可采用夹具与檩条连接,夹具上部从瓦片缝隙中外伸以固定光伏导轨。
彩钢围护式采用镀锌钢构件搭建支架,基础采用植筋、膨胀螺栓固定,南坡铺设光伏板,其余三面用彩钢板板围护形成封闭空间优点是能充分利用屋顶空间,缺点是相较于支架固定方式造价较高我国北方民居中单层平屋顶房屋较多,老百姓有储藏粮食、杂物的需求,故此形式在北方农村较受欢迎屋顶阳光房式采用镀锌钢构件搭建支架,高1.8m~2.5m左右,在顶部铺设光伏板,基础采用膨胀螺栓、植筋等形式固定优点是不占用屋顶空间,缺点是钢材用量大,相比支架固定形式造价高我国南方省份民居中多层建筑较多,老百姓有在顶层休闲乘凉的需求,故此形式在南方农村较受欢迎对于混凝土平屋面、无法直接固定光伏板的钢结构屋面、规模较小的地面光伏等,常采用混凝土配重块基础混凝土屋顶一般采用混凝土配重块作为基础,配重块底部垫防水并用水泥浆稍作固定与找平后放置于屋面,主要利用配重自身重量稳固光伏,不对屋面钻孔等,由于直接放置于屋面上自然它不破坏屋顶原有结构,而实际设计安装过程中,这种基础会有各种各样的形式,如条形基础、方形基础、钢筋混凝土配重块+特种工程塑料支架等方案,但基本原理都是一样的对于地面光伏,通常采用桩基础固定,但对于规模较小的地面光伏,或地基条件特殊,不便于采用桩基础的工程,如硬化地面、回填区域等,可考虑采用混凝土配重块或配筋混凝土条形基础固定。
3 桩基础桩基础是地面集中光伏、渔光互补等中、大型光伏项目广泛采用的基础形式,各桩基础形式的特点和适用范围详见下表:光伏桩基础形式特点分析表序号基础形式适用地基类型施工方法特点施工效率1螺旋桩大叶片螺旋桩适用于松散土壤(标贯N<8)打桩机直接将螺旋桩打入土壤①施工工艺简单②施工速度快③环境影响小120~150 根/8h小叶片螺旋桩适用于中等密度的松散土壤,如砂砾、砂土、泥沙和粘土(标贯值8①施工工艺简单②施工速度快③环境影响小100~120 根/8h素混凝土螺旋桩适用于难以直接旋入的土壤、岩石等类型(标贯值N>30)潜孔机成孔放入混凝土后将螺旋桩旋入成桩①施工工艺较简单②施工速度较快③环境影响较小约 80根/8h2灌注桩基础适用于粘性土、粉土、季节性冻土、膨胀土、持力层为硬性粘土或密实砂潜孔机成孔放入钢筋笼后浇混凝土、通过振动棒加密成桩①施工工艺较相对复杂②施工速度一般3预制桩基础适用于粘性土、砂土、粉土、季节性冻土、膨胀土沉桩设备将桩压入(或锤入)土中①施工工艺较相对复杂②施工速度一般③对环境影响大约 60~80根/8h4型钢桩基础适用于粘性土、粉土地区打桩机直接将型钢桩打入土壤①施工工艺简单②施工速度快③环境影响小120~140 根/8h5锚杆基础适用于基岩出露(岩石风化程度低)地区潜孔机成孔放入锚筋后浇混凝土、通过振动棒加密成桩。
①施工工艺较相对复杂②施工速度一般③适用区域受限根据上表可知,各类基础均有其优缺点,因此,基础型式的拟定应结合工程实际情况,综合考虑以下因素:支架结构型式及基础所承受的荷载特征、土的性状及地下水条件、施工工艺可行性、施工场地条件施工季节、经济指标、环保要求及施工工期对工程中最常用的钻孔灌注桩、预制桩、螺旋桩的优缺点和在特殊地基条件下的适用性做进一步分析钢筋混凝土钻孔灌注桩:成孔方便,可根据地形调整基础顶面标高,顶标高易控制,适用于工程场区覆土层较厚的地质情况,缺点是需挖孔后灌注混凝土,导致工期较长适用于一般填土、粘性土、粉土、沙土等对于冻胀性地基,灌注桩无法进行减弱冻胀措施,必须加大桩长来抵抗冻拔力;对于强腐蚀性地基,灌注桩可采用增大混凝土保护层厚度,或采用抗腐蚀混凝土来增强桩基的抗腐蚀性钢筋混凝土预制桩:与钢筋混凝土钻孔灌注桩受力原理相同,主要区别在于成桩和施工方式采用此基础型式,施工简单、快捷,但造价相比钢筋混凝土钻孔灌注桩要高,光伏支架立柱与基础桩预留埋件采用焊接连接,沉桩采用锤压法和静压法适用于淤泥质土、粘性土、填土、湿陷性黄土等对于冻胀性地基,预制桩可在桩周采取隔冻措施,如在冻深范围内换填中粗砂、涂抹一层厚沥青来减弱冻胀性;对于强腐蚀性地基,预制桩可采用抗腐蚀混凝土来增强桩基的抗腐蚀性。
螺旋钢桩:适用于中软土地基,如黄土或粘性土地区桩杆采用热浸锌钢管,采用旋拧钻进的方式打入地基土中螺旋钢桩桩顶预留螺栓孔,支架立柱与基础采用螺栓连接适用于沙漠、草原、滩涂、戈壁等螺旋钢桩基础优点是施工简便,不需要浇筑混凝土,也不需要大型机械,虽造价较预制桩和灌注桩稍高,但不需要大面积的场地平整,无需基槽开挖、土方回填,施工简便、人工投入少、采购方便,适用于对环保要求较高或工期紧张,投资允许的情况对于规模较小的光伏项目,若采用灌注桩、锚桩基础需引入大型打桩设备,导致造价提高,此时采用螺旋钢桩也比较合适螺旋钢桩的缺点是不适用于密实的碎石土及岩石地基,且防腐难度较高,不适合有腐蚀性的地基当场区土壤含盐量较高时,其中氯化盐产生氯离子率先侵蚀镀锌保护层,在镀锌层形成氯化锌,易对镀锌层产生腐蚀螺旋钢桩目前存在定制标准的缺失,螺旋钢桩计价方式、钢材、质保年限、售后服务等均无明确的要求的问题,导致质量服务参差不齐当桩身质量难以保证时,存在镀锌层杂质多易脱落、镀锌锌液纯度低、桩体表面白色晶体析出易引起支架变形和组件滑落等风险目前螺旋桩是否能保证25年防腐性能缺乏验证,运营期存在换桩的问题,导致运营成本增加。
另外,螺旋钢桩的桩截面较小,桩身较为单薄、刚度不高、位移相比其他桩型较大,单排桩无法满足要求,通常使用双排桩形式,在北方冻土地区桩长长度需延伸至冻土层以下,导致用钢量较大,整体造价较高4 漂浮式基础对于水库、湖泊等对于水域较深的区域,通常无法采用打桩固定,适合采用漂浮式固定形式目前水面漂浮式基础形式有浮管式、浮箱式、浮箱+支架式、浮筒+支架式几类,下面对各类基础的优缺点、适用范围、造价进行对比:水面光伏基础形式特点分析表编号名称优点缺点总造价(元/瓦)1浮管式漂浮光伏系统受力合理,耐久性强,可按最佳倾角调节布置连接节点多,施工困难,需附加检修走道,设计时需考虑波浪对漂浮系统影响,合理设计铰接体系1.102浮箱式漂浮光伏系统模块化,轻量,无支架,连接节点少,施工方便,工期短,对水面波动适应性较好浮箱连接连接及与锚固系统,组件倾角较小且不易调节0.903浮箱+支架式漂浮光伏系统可较少浮箱用量,浮箱仅承受浮力,较大水平力由金属支架承担,组件倾角可调节连接节点多,施工较困难,设计时需考虑波浪对漂浮系统影响,合理设计铰接体系1.104浮筒+支架式漂浮光伏系统相比普通浮体用料更省,抗风浪能力强,可适用于海洋环境若中间采用膜结构,直径可50m以上,经济性较好,但组件无倾角;中间采用支架成本较高0.905. 总结光伏项目布置灵活,可适应不同类型的场地,根据不同的屋顶条件和地基条件,光伏基础固定方案种类较多,在实际工程中经常面临不同方案的比选。
通过对以往参与工程的总结,得出能覆盖大部分光伏项目场景的基础选型设计经验,对后续同类设计具有一定参考意义 -全文完-。