新型悬索式支撑系统在渔光互补项目中的应用研究

白荣丽

(西安睿诺航空装备有限公司,西安 710000)

0 引言

目前，渔光互补项目应用场景非常丰富，应对不同水面条件，传统的光伏支架系统方案基础成本较高，且支架桩基础数量多、桩间距大，会影响渔业养殖，严重影响了鱼塘土地的开发利用[1]。

本文提出了一种新型悬索式支撑系统技术方案，并研究了该方案在渔光互补项目中的实际应用情况。新型悬索式支撑系统是对渔光互补项目应用场景拓展的新探索。此方案减少了水上基础数量，在保证质量的前提下可降低基础施工成本，缩减水上基础的建设周期，对于水面施工中最困难的基础打桩问题给出了一个较好的解决方案；钢索下部可利用水域空间大，对水面上船只通行或鱼塘内养殖的影响小，提高了鱼塘土地利用率，有利于鱼塘土地开发利用，具有一定的推广价值。

1 新型悬索式支撑系统技术方案的研究思路

通过新型悬索式支撑系统的应用，可扩大钢支架间距，提升光伏支架下部空间利用率，降低对水面上船只通行或鱼塘内养殖的影响，改进现有渔光互补项目的高支架光伏支撑系统技术方案空间紧凑、不利于水面上船只通行或鱼塘内养殖的问题，可以降低当前渔光互补项目施工和运维方面的难度，提升可实施性。

2 新型悬索式支撑系统的优势

渔光互补项目传统光伏支撑系统如图1所示。

图1 渔光互补项目传统光伏支撑系统Fig. 1 Traditional PV support system of fishery-PV complementary project

从图1可以看出：渔光互补项目传统光伏支撑系统的桩间距较小，桩基础施工量大，桩基础施工后下部空间有限，不利于船只通行及渔业养殖捕捞，会严重影响渔业的生产经营活动。

新型悬索式支撑系统如图2所示。

图2 新型悬索式支撑系统Fig. 2 New suspension support system

从图2可以看出：将光伏组件固定在拉索之上，拉索选用预应力钢绞线材料，预应力为其提供了足够大的刚度，由于拉索主要受拉的特点，其材料强度可被充分发挥。

新型悬索式支撑系统的主要优势有：

1)能够适应不同尺寸大跨度应用场景、光伏组件下方通风效果好，可灵活调整跨度、充分适应地形、最大限度利用现有鱼塘土地资源；

2)安装布置方式灵活，可以实现上、下、左、右方向的自由架设，从而可以更好地改善分布式光伏发电系统的支撑方式；

3)支架基础数量少，无需大规模场地平整，在节省场地平整费用的同时，可缩短施工时间约60%，提高了施工进度及时间的可控性；

4)钢索下部空间大，可充分保证渔船通行及捕捞作业所需空间，可避免光伏发电系统对投饵捕捞等渔业经营活动的影响；

5)相比于传统光伏支撑系统，新型悬索式支撑系统的主材采用型钢，其刚度大、结构稳定可靠度高、对场地基础要求不高、预安装性强。

新型悬索式支撑系统可通过预应力钢绞线释放应力，安全性高，可避免强台风和地震造成的损失。传统光伏支撑系统为刚性结构，直接面对大风时容易造成光伏组件隐裂。新型悬索式支撑系统增加了阻尼装置，让大风时支撑系统的颤动变得缓慢，其网状柔性结构通过动平衡方式释放风荷载，从而起到保护光伏组件的作用，不容易产生隐裂。

将新型悬索式支撑系统与光伏发电模块和智能发电设备有机匹配，可以提高渔光互补项目的可靠性和安全性，增强环境适用能力，提高可复制性，便于推广应用。

3 新型悬索式支撑系统的主要结构及材料构成

新型悬索式支撑系统的主要结构分为索系统和支架系统两部分，其结构简图如图3所示。

图3 新型悬索式支撑系统的结构简图Fig. 3 Structural brief diagram of new suspension support system

从图3可以看出：索系统主要由预应力主索、预应力副索和斜拉索等构成；支架系统主要由中间支架、端部支架等构成[2]。

新型悬索式支撑系统的支架材料主要包括：

1)主索，采用无粘结、热镀锌钢绞线，抗拉强度为1860 MPa，采用低松弛、蓝色套管进行包裹；

2)光伏组件与主索间采用专用铝合金连接件进行连接；

3)端部锚具采用防松多次张拉专用锚具；

4)抗风索为热镀锌钢丝绳；

5)地锚采用拉盘及抗拔桩；

6)端部基础分为抗拉和抗压2个部分，根据地质勘查结果选用适合的形式，抗压部分可以选用独立基础桩，抗拉部分可以选用桩深埋基础或拉盘；

7)支架部分分为端部支架及中部支架，端部支架可采用“人字架”“立柱+斜拉索”“立柱+撑杆”等形式，中部支架可选用管桩或“钻孔灌注桩+钢梁”的形式。

4 新型悬索式支撑系统的构造措施

除了进行以上结构分析外，还必须通过构造措施确保光伏发电系统安全运作。由于风荷载对不同区域的光伏组件影响不同，需将光伏阵列连接成一个整体，利用整体刚度来抵御风荷载。

新型悬索式支撑系统的主索为几何不稳定结构，必须通过增加抗风索保证其几何稳定性，并有效承受光伏组件传来的荷载然后传递给钢结构及基础。抗风索由四角锥、稳定索、纵向联系索、抗掀索及地锚组成。其中，四角锥为刚性构件，其作用是联系各种抗风索，并将光伏阵列连接成整体；稳定索和主索构成稳定的三角形，可以帮助主索承受向下的风荷载和雪荷载；联系索将四角锥连接成整体，与撑杆组成三角形稳定结构；抗掀索承受向上掀的北风；地锚的作用是将四角锥连接到地面，以保持光伏阵列整体的稳定。

预应力钢索系统采用1860低松弛镀锌无粘结预应力专用索作为主要受力构件，通过施加预应力使其获得必要的刚度；挠度控制条件为：0 ℃时为1.3%，张拉时需根据施工时的温度进行调整。其固有频率低于2 Hz，属于对风振敏感结构，因此有必要采取措施降低风振的影响，防止由此而产生的光伏组件隐裂。通过稳定索设置，形成空间结构。沿纵向及横向设置抗风索形成索网，确保整体结构的稳定，可以有效抵御风荷载作用下引起的风振影响。

5 新型悬索式支撑系统的材料加工及施工技术要求

5.1 主索布置

主索一般采用热镀锌1860低松弛无粘结预应力钢绞线，油脂用量及披衣严格按照技术要求进行验收。布索过程中如发现披衣损坏处，应及时修补，尽量减少接索器的使用，接索器使用率不超过5%，同一根索接索位置不能大于1处。

5.2 主索张拉

主索张拉分为两端张拉和一端张拉2种形式，3跨以上采用两端张拉，3跨以下(含3跨)采用一端张拉。

成品索除应符合索的强度标准外，还需满足索的均匀受力要求。索的制作是指将钢绞线或钢丝绳按设计要求配上锚具、夹具，制成成品钢索。

1)精确控制索的下料长度。下料长度应等于设计长度的1.05倍，索的长度是指无应力的原始长度。因此，必须估计初始几何态和预应力态的预应力值，通过分析和试验方法确定索的无应力原始长度。钢索采用直径为15.2 mm的钢绞线，一般暴露在室外工作，因此必须重视钢索的防腐。焊接会降低高强钢丝的强度，因此高强钢丝不能焊接。

2)下料。为了使钢索受力后各根钢丝和各股钢绞线受力均匀，钢索下料时其长度应准确、等长。下料采用应力下料法，将开盘在200～300 Mpa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，可消除部分非弹性因素。

3)切割。钢丝或钢绞线及热处理钢筋的切断应采用切割机或摩擦圆锯片，应切记采用电弧切割或气切割，以防损伤钢丝。

4)锚具是将钢索锚固于支承结构或边缘构件上的重要部件，钢索中的张力通过锚具传递到其他构件，因此选用可靠的锚具和锚固构造是悬索结构安全、可靠的关键。

5)索的节点是新型悬索式支撑系统的重要组成部分。索与端部支架连接采用防松多次张拉锚具，与中部支架连接采用索卡，与光伏组件间连接采用专用铝合金连接件。索卡是节点中用于固定钢索位置的主要零件。

6)张拉前，必须进行技术交底，由经过培训的熟练操作人员进行操作；张拉机具必须经过标定。两端张拉时，需由专业操作人员专人负责指挥，密切观察张拉过程，确保安全。采用分级张拉，不可一次加载；张拉时需对称张拉，防止出现端部支架扭转；张拉后，将锚具固定光伏组件安装螺栓紧固，必要时进行二次张拉。

5.3 光伏组件安装

光伏组件安装采用滑移法。不得将施工荷载传给主索；采用跨对称安装，抱箍不得收紧，防止将主索披衣破损；安装一榀后进行挠度检测，进行二次张拉调整，检查光伏组件安装倾角是否符合要求，必要时进行二次张拉调整。

5.4 四角锥安装

四角锥在地面组装，组装完成后，迅速将四角锥安装就位，四角锥安装螺栓一律采用防松螺栓，南北最边缘3跨应加密布置；当四角锥不在同一条线上时，应保证至少1跨重叠；南北最边缘处联系索要有可靠接地，与地锚固定。四角锥的材料应进行风振分析。

5.5 抗风索布置与地锚连接

抗风索分为稳定索、联系索、抗掀索3种。稳定索采用直径φ10 mm热镀锌钢丝绳；联系索采用φ10 mm热镀锌钢丝绳；抗掀索采用φ8 mm热镀锌钢丝绳。抗风索在接线完成后方可施工。

5.6 光伏组件接地线及电缆施工

光伏组件间连线需具有安装经验的人员安装，应严格遵守GB 50794—2012《光伏发电站施工规范》进行施工，严禁野蛮施工；为防止损坏光伏组件，防雷接地需经过培训的熟练人员安装，接线前需由电力专业设计人员进行技术交底，接线完成及时检测，发现问题及时处理，并做好处理记录。

5.7 地锚施工

地锚需进行拉拔试验，所有连接螺栓均为防松螺栓，锁卡采用热镀锌处理，地锚可以采用拉盘及抗拔桩，尽量安排在打桩及土方开挖时同时施工，避免由于工序交叉造成返工，延误工期。

6 经济性分析

新型悬索式支撑系统方案中，应用新型支架中间跨立柱均为铰接摇摆柱，基本只承担竖向荷载，可使桩基础数量减少10%；应用新型支架跨度大、跨度自由的特点，扩大支架下部钢支架间距，钢支架东西向柱距可增加50%，钢支架南北向柱距可增加20%；采用SAP 2000、STAAD Pro、3D3S等国内外领先的有限元设计软件，对新型悬索式支撑系统进行建模分析，并互相验证、互相补充，得到新型悬索式支撑系统方案理论模型；再通过试验进行支架验证，深化设计并优化技术方案，得到最优的渔光互补项目新型悬索式支撑系统技术方案。

通过渔光互补项目新型悬索式支撑系统技术方案，可以提升光伏发电项目与渔业养殖的友好度，增加渔光互补项目实施落地几率，建立渔光互补项目开发和建设的技术优势，扩展渔光互补项目的开发。

采用新型悬索式支撑系统技术方案的渔光互补项目单瓦造价约为0.9～1.0元/Wp，同条件下采用传统光伏支撑系统技术方案时的单瓦造价约为0.8～0.9元/Wp。采用新型悬索式支撑系统技术方案时，在建设成本与传统光伏支撑系统技术方案相当的情况下，能够实现钢索下部水域空间完全可利用，对水面上船只通行或鱼塘内养殖的影响极小，可高效利用现有鱼塘土地，降低成本[3]。

7 结语

本文分别从新型悬索式支撑系统的研究思路、优势、技术方案及经济性分析几个方面进行研究分析，提出了一种土地利用率高、适用性和抗腐蚀性较强，空间利用率和转换率较高，稳定美观，通透性好，与周边环境协调度高的新型悬索式支撑系统技术方案，可以实现从上、下、左、右4个方向自由安装，高效解决了渔光互补项目桩基础施工难度大、渔业养殖困难等问题，缩短了施工周期，适用于渔光互补项目多种大跨度应用场景，为后期渔光互补项目开发和建设提供了可靠的解决方案。