(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司)
摘 要：發(fā)展海上光伏是突破土地約束、拓展新能源發(fā)展空間的有效途徑。海上光伏支架結構是固定式海上光伏結構系 統(tǒng)最重要的部分，本文分析對比了鋼混組合桁架結構、大跨空間鋼桁架結構、空間網(wǎng)架結構、傳統(tǒng)鋼支架結構四種主要結 構類型，結果表明空間結構是固定式海上光伏結構設計的主流形式，其經(jīng)濟性、施工可行性、標準化等均較好。對于荷載 參數(shù)的取值的標準化，本文對實施例海上光伏項目進行了剛性模型測壓風洞試驗，并將試驗結果值與規(guī)范計算取值進行 對比分析，為后續(xù)類似項目的荷載參數(shù)取值提供參考。
關鍵詞：固定式樁基，海上光伏，結構，標準化，荷載
引 言
在“雙碳”目標地驅動下，我國各沿海省份陸續(xù) 出臺了海上光伏發(fā)展支持政策。沿海地區(qū)電力消耗 較大，其陸地新能源發(fā)展受限于土地資源約束，而 海洋資源豐富，海上光伏和海上風電協(xié)同發(fā)展能夠 有效優(yōu)化投資成本，另海上光伏還可以與水產(chǎn)養(yǎng)殖
結合，提高整體投資收益。此外，海上光伏還可與核 電溫排區(qū)一同進行立體開發(fā)，應用場景多樣化 [ 1] 。 截至目前，利用近海海域建設大規(guī)模集中式光 伏項目在全國范圍內(nèi)仍無完整可參考案例，尚處探 索初期，仍面臨經(jīng)濟、技術、安全及可靠性等挑戰(zhàn)。 較陸上光伏項目比，海上高溫、高濕、高鹽霧，需應 對復雜的海洋環(huán)境如潮汐、波浪、海流、海冰、腐蝕、臺風、海床地質條件等自然環(huán)境影響。
作為新能源發(fā)展的新藍海，海上光伏發(fā)展?jié)摿?大、綜合效益高、生態(tài)環(huán)境友好。發(fā)展海上光伏，不 僅是突破土地約束、拓展新能源發(fā)展空間的有效途 徑，也是經(jīng)略海洋、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的有力抓 手。不過，其規(guī)模化發(fā)展仍面臨著技術性、安全性、 經(jīng)濟性、耐受性等問題需要解決。
目前，針對固定式海上光伏結構形式及荷載參 數(shù)取值等標準化的研究仍然較少，本研究對推動海 上光伏項目結構設計標準化有重要意義。
1 結構形式
針對固定式樁基海上光伏，其結構類型仍無標 準可參考。目前，主要的結構類型有鋼混組合桁架 結構、大跨空間鋼桁架結構、空間網(wǎng)架結構、傳統(tǒng) 鋼支架結構等[ 2] 。 1.1 鋼混組合桁架結構
上部結構采用鋼筋混凝土框架與輕鋼結構的 鋼混組合桁架結構[ 3] ，下部可采用PHC預制管樁或 鋼管樁。采用組合結構能充分發(fā)揮各自結構的有 點，混凝土結構具有耐久性強、剛度大、造價低等 優(yōu)點。但此類組合結構制作組裝效率較低，質量難 以控制，連接節(jié)點多，且經(jīng)濟性跨度較小。
上部結構采用單榀桁架結構，下部結構可采 用PHC預制管樁或鋼管樁。單榀桁架結構具有大 跨度、用鋼量小、設計制作可標準化等優(yōu)點。但該
類結構側向剛度小、需要采用焊接連接、防腐難以 保證。
上部結構采用空間結構，下部結構可采用PHC 預制管樁或鋼管樁。空間結構具有空間剛度大，結 構自重小，抗震性能好、加工安裝快、設計制作可模 塊化等優(yōu)點。但該類結構由于采用螺栓球節(jié)點施工 精度要求高、且后期維護工作量大。
傳統(tǒng)鋼支架結構固定支架主要由主梁、檁 條、立柱、斜支撐及連接螺栓、壓塊等部件組成。 傳統(tǒng)鋼支架對海上光伏的適用性較差，存在用跨 度小、鋼量大、海上施工作業(yè)多、施工質量可控性 差等缺點。
固定式樁基海上光伏的結構形式需綜合考慮 結構受力、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、施工可行性、標準化、 防腐耐久性和運行維護等因素。目前，空間結構是 固定式樁基海上光伏結構設計的主流形式，其經(jīng)濟性、施工可行性、標準化等均較好，且沒有明顯的缺 點。隨著研究的深化及項目實施經(jīng)驗的積累，空間 預應力結構、吸力筒一體化結構等可能會有實施應用的機會[ 4] 。
2 荷載參數(shù)取值標準化
海上光伏由于處于開敞式海域，風荷載較陸地 偏大、部分海域甚至遠超陸地。由于固定式海上光 伏結構形式屬于新型結構形式，目前仍未見針對海 上光伏結構風荷載相關計算的研究，結構的體型系 數(shù)及風振系數(shù)的選取暫無可參考的規(guī)范或實例。下 面以沿海某海上光伏項目為例進行研究。 2.1 風荷載體型系數(shù)取值標準化
本海上光伏項目實例為大跨度固定式樁基光 伏項目，建設地屬于強風地區(qū)，結構跨度大，其設計 風荷載在中國《建筑結構荷載規(guī)范》GB 50009— 2012[ 5] 中未作相關規(guī)定。
為了進行主體結構計算，本文對海上光伏項目 實例進行剛性模型測壓風洞試驗。 2.1.1 試驗概況
在風洞中模擬大氣邊界層風場是建筑模型風 洞試驗的重要內(nèi)容。根據(jù)本海上光伏陣列的地形條 件及建筑環(huán)境和ESDU地貌分析，本試驗的大氣邊 界層流場模擬為《建筑結構荷載規(guī)范》GB 50009— 2012[ 5] 的A類地貌風場。以1/150的幾何縮尺比模擬 了A類地貌，如下圖5風洞中對大氣邊界層的風剖面 和脈動風譜模擬所示。
光伏結構采用玻璃鋼制作，模型均具有足夠 的強度和剛度，在試驗風速下不發(fā)生變形，并且不 出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象，以保證壓力測量的精度?？?慮到實際建(構)筑物的尺寸以及風洞截面的實際 情況，選擇模型的幾何縮尺比為1/150。試驗阻塞 率控制在5%以內(nèi)。光伏陣列的測點分塊圖如圖6 所示。
按照我國建筑結構荷載規(guī)范(GB 50009— 2012)[ 5] ，項目在B類地貌、25年重現(xiàn)期、10米高度 處、10分鐘平均的基本風壓w0 ,25=1.04 kN/m2，相應 的基本風速為U101600w0,50=40.79 m/s，;對應于50年 重現(xiàn)期w0 ,50=1.23 kN/m2，相應的B類地貌基本風速 為44.36 m/s。A類地貌對應的梯度風高度為ZG=300 m，α=0.12，由此可得梯度風風速UG=U 10(Z G/10)α和 梯度風風壓PG=ρU2 G/2，結果列于表1中。
重現(xiàn)期(年)25 50 基本風壓(kPa.B類)1.04 1.23 基本風速(U)40.79 44.36 風剖面指數(shù)0.15 0.15 梯度風高度(m)350 350 梯度風風速(m's)69.53 75.62 梯度風風壓(1Pa)3.02 3.57 注：規(guī)范中統(tǒng)一取 2.1.4 試驗結果
通過試驗結果可知本海上光伏陣列飄帶各分 塊部分在各個風向角下的分塊體型系數(shù)。同理，根 據(jù)試驗結果的塊體型系數(shù)，該分塊的風壓高度變化 系數(shù)及建筑所在地的基本風壓，可以得到各個風向 角下的塊平均風壓。在進行海上光伏陣列的主要受力結構設計時， 常以測點或分塊的平均風壓值wmean再考慮動力放大 效應(我國規(guī)范中定義為風振系數(shù)β)，二者相乘作 為主要受力結構設計風荷載。
由概率統(tǒng)計方法得到的光伏陣列各測點的極 值風壓，25年重現(xiàn)期的最大和最小極值風壓見圖 7，50年重現(xiàn)期的最大和最小極值風壓見圖8，此極 值風壓用于光伏陣列圍護結構設計。
2.1.5 試驗結果
通過對本海上光伏實施例陣列進行剛性模型 測壓風洞試驗及分析，得到如下結論和建議[ 6][7] ： 1、對于光伏陣列主要受力結構設計風荷載： 根據(jù)圖7的塊體型系數(shù)可得到光伏陣列各分塊的10 分鐘平均風荷載，是光伏陣列主要受力結構設計的 基本參數(shù)。
2、圖7和圖8分別給出了光伏陣列在0-360°風 向范圍內(nèi)的極大和極小分塊體型系數(shù)，可用于主要 受力結構設計。
3、對于光伏陣列圍護結構設計風荷載：應用 概率統(tǒng)計方法得到了光伏陣列各測點的最大和最 小極值風壓，可用于光伏陣列的圍護結構設計。 2.1.6 規(guī)范計算結果
根據(jù)《光伏支架結構設計規(guī)程》NB/T 10115— 2018[ 8] ，傾斜角為15度，計算出外圍方陣結構體型系 數(shù)：風壓0.8，風吸-0.95，內(nèi)部方陣結構體型系數(shù)： 風壓0.68，風吸-0.80(當光伏板陣列布置，陣列數(shù) 大于7排時可對兩端第2列、第4行以內(nèi)支架體型系 數(shù)進行折減，本項目折減系數(shù)取0.85)。 2.2 風荷載風陣系數(shù)取值標準化
本實施例項目風振系數(shù)取值為1.4，一方面考慮 本項目結構采用網(wǎng)架結構，結構剛度較大;另一方 面，本項目處于海上高風速區(qū)域，需要考慮一定的 放大系數(shù)。
根據(jù)《光伏支架結構設計規(guī)程》NB/T 10115— 2018，對于雙列或單列單坡支架結構體系，可取1.0。
通過對比可發(fā)現(xiàn)，實施例項目取值比規(guī)范偏 大，準確的風振系數(shù)需要通過氣彈性模型的試驗 獲取。
3 標準化建議
對于結構體型系數(shù)，根據(jù)規(guī)范計算出的外圍風 壓體型系數(shù)偏小，規(guī)范計算結果僅為0.8，而試驗結 果達到了1.0;風吸體型系數(shù)同樣偏小，規(guī)范計算結
果為-0.95，而試驗結果則達到了-1.22。對于內(nèi)部方 陣風壓體型系數(shù)，規(guī)范計算結果僅為0.68，而試驗 結果僅為0.25左右，風吸體型系數(shù)規(guī)范計算偏大; 風吸體型系數(shù)同樣偏大，規(guī)范計算結果為-0.80，而 試驗結果為-0.70左右。
從上述對比結果可知，對于外圍的方陣，規(guī)范 計算結果偏小，而對于內(nèi)部的方陣，規(guī)范計算結果 則偏大。為此，在進行上下部結構計算時，對于外圍 的結構建議進行放大;而對于內(nèi)部的結構則可進一 步進行折減。
4 結 論
通過對比不同海上光伏支架結構的類型，分析 研究了不同類型海上光伏支架結構的優(yōu)缺點，結果 表明，空間結構是固定式海上光伏結構設計的主流 形式，其經(jīng)濟性、施工可行性、標注化等均較好。通 過對比分析結構體型系數(shù)的規(guī)范取值與試驗結果， 結果表明，于處于外圍的方陣，規(guī)范計算結果偏小， 而對于內(nèi)部的方陣，規(guī)范計算結果則偏大。本文建 議與本實施例項目類似的項目的結構類型和荷載參 數(shù)取值可以參考本文結果
