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光伏支架基础设计的那些事

光伏支架10周年

1.概述 任何建构筑物的基础都是为其上部结构(当然,地铁,隧道,涵洞等属于地下结构)服务的;它将上部结构的荷载(作用)可靠的传至地基且不至产生过大变形(变形差),以确保上部结构在设计使用年限内使用功能的…

1.概述

任何建构筑物的基础都是为其上部结构(当然,地铁,隧道,涵洞等属于地下结构)服务的;它将上部结构的荷载(作用)可靠的传至地基且不至产生过大变形(变形差),以确保上部结构在设计使用年限内使用功能的有效发挥以及安全稳定。

上部结构离开基础,如“无源之水,无本之木”;基础的价值在于服务上部结构,基础本就是上部结构的一部分;抛开上部结构谈基础,同样是“掩耳盗铃”、“一叶障目”。

在介绍基础之前,先简要介绍一下它的服务对象-光伏支架。目前的光伏支架类型主要有:

固定支架

可调支架

跟踪支架

跟踪支架,我们又把它分为:

单轴跟踪系统

双轴跟踪系统

光伏支架基础设计的那些事

图1 固定支架

光伏支架基础设计的那些事

图2 双轴跟踪支架

光伏支架基础设计的那些事

图3 平单轴跟踪支架

光伏支架基础设计的那些事

图4 斜单轴跟踪支架

支架基础的类型主要分为扩展(独立)基础、微型混凝土桩基础(现浇、预制)、微型钢桩基础、漂浮式基础等。

2.光伏支架基础怎么设计?

目前,国内的支架基础设计所依据的规范、标准主要有:

《太阳能发电站支架基础技术规范》(GB51101-2016)

《光伏支架结构设计规程》(NB∕T10115-2018)

《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)

《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)

《太阳能发电站支架基础技术规范》(GB51101-2016)第5.1.1条对支架基础的设计计算内容进行了相应规定;《光伏支架结构设计规程》(NB∕T10115-2018)这本规范出版时间距今更近一些,该规范补充规定了微型桩基础应进行整体稳定性验算以及微型钢桩的压屈稳定性验算。(相关条文摘录详见文末)

目前国内新能源行业关于光伏支架基础的设计一般均执行以上设计规范和方法。我们小结如下:

1.所有基础类型均应进行竖向承载力验算(抗压、抗拔);

2.桩基础尚应进行水平承载力验算以及整体稳定性验算;

3.微型钢桩尚应进行压屈稳定性验算;

4.扩展基础尚应进行抗滑移、抗倾覆验算;

5.单立柱单桩基础以及承受较大弯矩的桩基础尚应进行基桩截面抗弯承载力验算;

6.承受较大荷载的支架基础应对基础结构承载力和裂缝宽度进行验算;

7.必要时尚应进行地基沉降变形验算。

3.这样真的能设计出好的支架基础吗?

是不是按照以上7条进行设计,便能设计出好的支架基础?讨论这个问题之前,我们先看几张图片。

光伏支架基础设计的那些事

图5 支架基础破坏(国内项目)

图5,项目位于东北某省,建成后的第一个冬春的某天上午,阳光明媚,风和日丽,值班员在例行巡检中偶然发现,场区内部分的支架立柱被顶起(冻土破坏),这样的场面在整个场区呈零星分布,呈散发状,发电量同时出现了明显下降。

光伏支架基础设计的那些事

图6 钢桩破坏(国外项目,桩头局部屈曲)

光伏支架基础设计的那些事

图7 钢桩破坏(国外项目,钢桩整体屈曲)

图6、图7,项目位于中东北非沙漠某大型工业园光伏项目。施工打桩时(静压成桩),大量的钢桩遇到坚硬土层(硬夹层,孤石),发生桩头变形(局部屈曲,图6)或者桩身整体变形(整体屈曲,图7)。总承包商不得不进行大量返工修桩,补充采购钢桩,调整更换打桩设备,贻误工期,造成巨额经济损失。

光伏支架基础设计的那些事

图8 光伏电站大量被淹

图8,渔光项目在国内,尤其是长江以南地区大量上马之后,每年都有多个电站被淹。笔者自2013年从事光伏项目以来,亲身经历了2个电站被淹事件。一处在湖北,电站建成全容量并网1个月之后即被淹没,组件被浸泡在水下4m处。同事们私下戏称它为“水下光伏电站”;另一处在广东,电站大部分组件被湖水淹没,我和我的同事赶赴现场,背着沙袋“抢险救灾”,誓死要将逆变器里的IGBT模块在湖水上涨之前取出。

4.我们哪里出了问题?

本文试图弄清一件事:普遍认为的“简单的支架基础”为什么在设计、施工或者后续的运维中总是出现这样或那样的问题?

第一,先验论以及长期以来的惯性思维,使得所有人对光伏电站的设计特点(困难点)认识不充分,对支架基础设计的难度和复杂性计估计不足;

人们往往认为,“这个很简单,一根根桩杵在土里,谁不会干啊?”

这些思想流淌在每个从业者的心中,甚至在国家的规范标准中也能寻见蛛丝马迹。让我们看看文献、规范上是怎么描述光伏支架及其基础的:

“光伏电站的支架结构简单,荷载明确,其基础设计难度一般不大”;

“支架基础一般承受的荷载较小,浅层土是主要的受影响土层…”;

“太阳能电站支架基础所承受的荷载一般不大,常规光伏发电站固定支架结构,每个基础承受的竖向荷载在10kN左右”;

“支架基础承受的荷载较小,浅层土是主要的受影响土层…”;

“固定式支架基础承载力往往满足要求,无须验算”;

第二,相当部分的项目参与者忽视地面光伏支架基础的技术特点,教条主义大行其道。

为方便理解,我们将地面光伏电站与民用建筑或者燃煤发电的项目做一做对比。一般工业、民用建筑以及燃煤、燃气发电项目单体建构筑物的场地面积约为几千平米~几万平米;而大型光伏电站(以100MW为例)场地面积则是150万平米~200万平米。

两者最大的不同是,工程场地面积(勘察范围)的巨大差异以及由此衍生出的技术经济问题。这句话听起来仍然拗口晦涩,不够直观。我们逐一展开说明。

(1)国内的光伏项目开发建设模式下,一般是在总承包招标工作之前,业主会委托地勘单位完成地勘报告,目的是方便总承包单位进行投标方案的编制以及项目投标报价。在惯性思维作用下,一个项目往往只做一次地勘外业工作,初勘和详勘工作同时完成,钻孔间距往往在150m~250m,有的钻孔间距甚至更大。这样的勘察难以真实、全面、有效的反应工程地质特征。(这些地质特征主要包括:地层分布及变化情况、特殊岩土的类型与危害、孤石的分布,坚硬夹层分布及变化,软弱土层分布及变化等);

(2)地勘报告是用于指导设计和施工的基础性、关键性资料;但目前国内光伏项目的开发建设模式往往是,业主在项目确定总承包商之前,就已委托勘察单位完成了地勘工作。地勘报告在提交之前,无需征得承包商的复核确认,两者并不是合同关系,这样的地勘报告往往没有技术针对性,可能缺乏关键试验数据和详细工程地质参数;

(3)如此广袤的场地,其地形地貌特征、工程地质条件、水文气象条件等呈现出渐变性、多样性、离散型、复杂性。这是客观的规律和必然出现的局面,而绝非偶然的现象,更不以人的意志为转移。也根本不存在一种能“包打一切”的万能桩型;

第三,偏低的勘察、设计费,让勘察设计行业中优秀的团队和人员望而却步,难以参与光伏项目。

目前的市场环境,光伏电站的设计费早已跌破了2分钱每瓦;一个过百兆瓦的光伏电站,测量、勘察面积动辄3000亩,150多万平米,勘察合同价款仅为五六十万元,有的甚至更低。

一方面平价甚至是竟低价争夺着开发权配置;一方面强调“技术优化”、“技术降本”,面对着这样永远政治正确的口号,残存的技术人员“996”、“007”夜以继日的忙碌着,却又过着“食不果腹”、“朝不保夕”的日子。他们疲于奔命,早已丧失了职业荣誉感与安全感,在此种情形之下,谈详细勘察、精准设计又显的何其苍白。技术团队的整体水平不能满足装机容量不断增大、地形条件日益复杂、质量要求不断提高的新项目。

第四,相当部分的项目在可研/初设阶段未进行试桩。

“葡萄是酸是甜,不去尝尝怎么会知道呢?”试桩是测试支架基础技术方案优劣和是否可行,是否经济,最可靠的方法。遗憾的是,我们习惯了花更多的钱解决问题或者掩盖问题,却从不愿意一开始就想方设法找出问题、规避问题。这里面有文化的原因,惯性思维的原因,还有很多众所周知但又不便以文字方式呈现的原因。本文捡能说的和大家唠叨唠叨。

(1)光伏电站的桩基础重要性等级不高,一般划分为丙类,根据规范的精神,桩基设计的相关参数,可以不进行现场试验(试桩)而依据(所谓的)经验给出一个参考值即可;

(2)在确定总承包商之前即已完成了地勘委托和地勘报告编制,地勘任务书这一环节的缺失或者流于形式,造成地勘工作并没有针对性;行业中通行的极低的勘察费用也不允许任何人会有进行试桩的想法;

(3)国内的总承包商一般并没有自己的施工队伍和机械。其施工报价组成部分来自分包商,分包商的报价来自经验。当经验与现实产生冲突时,温柔的逼迫设计院修改基础方案,更换场地,是他们的拿手好戏;如果这样,活还是干不下去,再干下去就要亏的时候,“偷工减料”甚至“跑路”的戏码可能就要上演。

5.尾声

有一天,我做了一个梦,它如此真实,甚至让我分不清是梦,还是现实。

光伏支架基础设计的那些事

某日,三体世界的质子叫我前去问话。

“你是什么虫子?”

“我不是虫子,你可以叫我闫生。”

“你们星球上的虫子,最近在大规模的建造光生伏特发电的装置。”

“是的,请别叫我虫子,我们是不同的文明,应相互尊重。”

“你们大规模建造光生伏特,这种低效能源装置,本已发电效能极低,为什么不让晶硅板跟随着被你们称为“太阳”的“星系内核”跟踪移动,以提高发电能效呢?”

“你们将绝大部分晶硅板都固定在地面上,仅有很少的晶硅板采用了跟踪技术,而且跟踪精度也很粗糙,并没有达到让你们的太阳所发出的光子垂直入射的精度?”

“这…”

“你们不是在200个地球年之前就发明了蒸汽机了吗?你们现在的技术不是已经达到所谓的你们称之为“人工智能”的水平了吗?”

“这与我们的组织模式,经济制度,社会发展的历史阶段有关。根据马克思主义基本原理,人类在资本主义这个历史阶段,资本的投入必然要追求高额剩余价值,停不下来,否则…”

“好了,好了。”

“还说你们不是虫子。自己都承认了,你们处于“虫子”的发展阶段。”

一阵颤抖,我从梦中惊醒。。

附录:

光伏支架基础设计的那些事

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作者: 小编

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