Comparative Study on the Structural Schemes for Photovoltaic Supports in the Road Domain of the Transportation and Energy Integration Project

随着国家“双碳”战略的提出，各行业都密切关注积极响应，陆续出台了针对性的落地政策和减碳降排的措施，交通领域作为碳排放的重点领域，其碳排放达峰和深度减排对实现碳达峰碳中和意义重大。2019年6月，党中央、国务院印发《交通强国建设纲要》，提出要构筑多层级、一体化的能源交通融合的综合交通枢纽体系，优化交通能源结构，推进可再生能源、清洁能源应用。2021年2月，党中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，提出要“加强可再生能源、新能源、清洁能源装备设施更新利用和废旧建材再生利用，促进交通能源动力系统清洁化、低碳化、高效化发展”。在“双纲要”目标的指引下，加速交通基础设施网、运输服务网、能源网、信息网四网融合发展，已成为不可逆转的发展趋势，构建清洁低碳、安全高效的现代化交通能源体系，实现交通与能源的有机融合，是贯彻新发展理念、推动交通运输高质量发展的必由之路。在这个宏观背景下，本项目拟在高速公路路侧边坡(南侧)及服务区（收费站）建设光伏发电项目，在交通领域形成稳定的清洁能源用能规模，提高交通领域清洁能源自给率。

判断一个光伏项目是否成功，一个关键指标就是该项目整个建设运营期的投资收益是否达到预期。光伏支架基础由于数量庞大，且结构形式多样，其一直是光伏项目土建成本控制的重点。光伏支架结构及光伏支架基础选型的合理性与经济性是影响光伏项目建造成本的重要因素。目前许多光伏行业从业者对这点都有了比较清楚的认识，也对光伏支架结构及基础的选型进行了一系列的研究与实践^[1-8]。

文献[1]对各类光伏支架基础形式及其优缺点进行了归纳总结，同时基于实际工程对某陆地光伏支架基础的设计优化进行了分析研究，并根据分析结果对光伏支架基础的选型与设计提出了一些建议。文献[2, 18]是针对屋顶分布式发电项目的光伏支架基础优化设计进行了研究。文献[3]以广西崇左某150 MWp农光互补光伏项目为例，结合农光互补这一类项目特点，通过对比分析选择了最优的结构型式。文献[4]对光伏支架结构的抗台风设计进行了研究，提出了台风地区光伏支架结构的设计建议。文献[5]针对光伏领跑者项目特殊的地形地貌，分析各种类型支架和基础对地形及地质的适用性，设计出不同形式的支架及基础。文献[6, 7, 9]针对山地光伏复杂地形和地质条件下的特点，在传统支架基础上进行创新设计，提出了一种可适用于山地光伏的新型支架基础型式。文献[8,14,15]分别针对沙漠地区、扰动区及盐光互补项目等特殊条件下的光伏项目支架基础选型进行了探讨。

这些研究和实践虽然对光伏支架结构及基础选型进行了一定程度的技术经济性比选，但都是基于各自所依托项目特点进行的针对性方案比选研究，有针对农业用地地质特点的，有针对山区地形特征的，但对于交能融合这一类型项目在高速公路路基边坡上架设光伏支架的情况未有涉及。此外，这些研究在进行方案技术经济性比选时，一般是把上部支架和下部基础分开来进行比较^[1-18]，这种比较方式只是关注整体设计方案的一个局部，会让比选结论无法真实反映出设计方案整体的技术经济合理性。

图1为路侧光伏实景照片。

Figure 1.  Realistic photo of roadside photovoltaic system

某交能融合项目拟在高速公路路侧边坡(南侧)及服务区（收费站）建设光伏发电项目，总装机容量约123.99 WMp。路域光伏组件布置区域主要在已建路基边坡上，光伏支架基础采用桩基础。本项目公路已经建成运营，根据公路路基设计规范，公路路基的基底压实度不低于90%，路堤的压实度要求不低于93%，路床的压实度不低于96%，且路基填料CBR值不小于3%，路基填土能达到中密以上，且对于软弱土层采用了换填和强夯等方法进行处理。

光伏组件阵列布置方案根据路侧边坡高度不同，有2×13、2×26以及3×26等几种形式，其中2×13的阵列布置形式占比最大，为方便研究，本文后续的支架方案比较均针对2×13这种阵列布置方案。2×13的阵列布置中，2表示沿道路横向布置两排光伏板，13表示沿道路纵向布置13列光伏板，如图2所示。单块光伏板的尺寸为1 133 mm×2 256 mm，自重32.8 kg，光伏支架倾角为29°。

Figure 2.  Layout of 2×13 photovoltaic array

本项目50年一遇基本风压为0.40 kN/m²，25年一遇基本风压为0.36 kN/m²；50年一遇基本雪压为0.40 kN/m²，25年一遇基本雪压为0.33 kN/m²；抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度为0.15 g，设计地震分组为第二组^[19-20]。

本项目光伏支架是布置在高速公路路堤南侧边坡上，高速公路已建成通车，施工场地条件受限，只能考虑在路基坡脚处临时征用一部分农田作为本项目的施工作业场地，常规的管桩设备由于过于庞大，在本项目中无法使用，此外钢筋混凝土预制桩由于挤土效应比较明显，对路基边坡的稳定性影响较大，也不适用于本项目。综合考虑各种因素，本项目桩基础主要考虑采用灌注桩基础和钢管螺旋桩基础。上部的光伏支架结构根据以往项目经验，斜梁和檩条采用冷弯薄壁型钢，立柱和斜撑采用圆钢管，能够在满足结构承载力和变形要求的同时，获得不错的性价比。

本项目一个标准的阵列为2×13的布置形式，平面和断面如图2所示。对于光伏支架上部结构来说，影响其经济性最大的因素就是纵向檩条的工程量，找到一个合适跨度的檩条布置方案对保证支架整体结构方案的经济性至关重要。在本项目特定的风压、雪压以及倾角条件下，经过对不同跨度的布置方案进行试算，确定本项目纵向的跨度取3.3 m。在支架结构横向，根据横向总体宽度，结合以往的项目经验，可布置成单立柱、双立柱或者三立柱，因此整体的支架结构方案可分为单立柱单桩、双立柱双桩以及三立柱三桩三种形式。

本项目单立柱单桩方案中，斜梁和檩条均采用冷弯薄壁型钢，其中斜梁截面为C100×50×15×2，檩条截面为C120×60×20×2.5；立柱和斜撑采用圆钢管，其中立柱截面为$ \phi $73×6.0，斜撑截面为$\phi $60×2。基础采用直径300 mm的灌注桩。布置如图3所示。

Figure 3.  Schematic diagram of single column and single pile

建模计算采用盈建科光伏模块，上部支架结构应力比控制在0.85左右。根据支座反力，结合本项目勘察资料以及试桩结果，确定灌注桩基础长度为3 m。单立柱单桩布置方案对于2×13这样一个阵列的工程量如表1所示。

从表1可以看出，对于一个2×13的光伏阵列，采用单立柱单桩方案，光伏支架结构（含基础）部分总的造价为7 553元。

本项目双立柱双桩方案中，斜梁和檩条均采用冷弯薄壁型钢，其中斜梁截面为C100×50×15×2，檩条截面为C120×55×20×2.2；立柱和斜撑采用圆钢管，其中立柱截面为$ \phi $60×4，斜撑截面为$ \phi $40×1.5。基础采用直径76 mm的钢管螺旋桩。布置如图4所示。

Figure 4.  Schematic diagram of double columns and double piles

建模计算采用盈建科光伏模块，上部支架结构应力比与单立柱单桩方案保持一致，控制在0.85左右。根据支座反力，结合本项目勘察资料以及试桩结果，确定钢管螺旋桩基础长度为2 m。双立柱双桩布置方案对于2×13这样一个阵列的工程量如表2所示。

从表2可以看出，对于一个2×13的光伏阵列，采用双立柱双桩方案，光伏支架结构（含基础）部分总的造价为6 114元。

本项目三立柱三桩方案中，斜梁和檩条均采用冷弯薄壁型钢，其中斜梁截面为C80×40×15×2.0，檩条截面为C120×55×20×2.2；立柱和斜撑采用圆钢管，其中立柱截面为$ \phi $60×4。基础采用直径76 mm的钢管螺旋桩。布置如图5所示。

Figure 5.  Schematic diagram of three columns and three piles

建模计算采用盈建科光伏模块，上部支架结构应力比与前两个方案保持一致，同样控制在0.85左右。根据支座反力，结合本项目勘察资料以及试桩结果，确定钢管螺旋桩基础长度为2 m。单立柱单桩布置方案对于2×13这样一个阵列的工程量如表3所示。

从表3可以看出，对于一个2×13的光伏阵列，采用三立柱三桩方案，光伏支架结构（含基础）部分总的造价为6 684元。

通过上述3种结构方案的分析可以得出如下3个结论：

1）在基础方面，单立柱单桩方案桩基数量最少，对路基边坡扰动的范围最小，但单桩直径较大，施工难度较大；三立柱三桩方案桩基数量最多，对路基边坡扰动的范围最大，但其采用的直径较小的钢管螺旋桩，施工方便效率高；双立柱双桩方案在扰动范围及施工效率方面取得了一个较好的平衡，且该方案基础造价最低。

2）在上部支架方面，单立柱单桩方案斜梁、斜撑及立柱受力最不利，截面也最大，上部支架总工程量在3个方案中最大，造价也最高；三立柱三桩方案由于中部多了一排立柱，斜梁跨度最小，单根立柱承担的荷载也是最小的，受力最有利，斜梁和立柱的截面也最小，同时三立柱三桩方案还减少了斜撑的用量，因此上部支架总工程量在3个方案中最小，造价也最低；双立柱双桩方案上部支架结构的工程量和造价介于两者之间。

3）在经济性方面，对于单组2×13的光伏阵列，同时考虑上部结构和基础，单立柱单桩支架的方案总造价最高，约为7 553元；双立柱双桩方案总造价最低，约为6 114元；三立柱三桩方案总造价居于二者之间，约为6 684元。

3种结构方案的技术经济性比较详见表4。

本文针对交能融合这一类型在高速公路路基边坡上架设光伏支架的情况，进行了深入的研究，分析了以往研究中存在的不足，并通过对3种不同支架结构布置方案的上部结构和下部基础进行整体的技术经济性比选，得到了单组2×13阵列最佳的结构布置方案，给以后同类型项目光伏支架结构的方案优化提供了思路。