Решения для наземного монтажа солнечных батарей на крупных солнечных электростанциях: инженерные аспекты.
Краткое содержание — Основные выводы
Выбор типа фундамента — забивной, винтовой, винтовой или бетонный балласт — является основным фактором, определяющим стоимость наземных фундаментных систем, составляя 15–25% от общей стоимости монтажа.
Геотехнические исследования являются обязательными: несущая способность грунта, коррозионный потенциал (pH, удельное сопротивление, содержание хлоридов/сульфатов) и глубина промерзания напрямую определяют целесообразность устройства фундамента и параметры проектирования.
Оптимизация междурядий позволяет сбалансировать эффективность использования земли с потерями от затенения между рядами — оптимальный коэффициент покрытия почвы (GCR) для систем с фиксированным углом наклона обычно составляет от 0,35 до 0,50 в зависимости от широты.
Стратегия защиты от коррозии должна соответствовать агрессивности грунта: сталь ZAM (в 10–20 раз лучше, чем HDG) настоятельно рекомендуется для кислых, засоленных или влажных грунтов, распространенных на тропических и прибрежных строительных площадках.
Компания AISINEE предоставляет полный спектр услуг по геотехническому и строительному проектированию, включая проектирование фундаментов, расчеты ветровых нагрузок (ASCE 7-16, EN 1991, AS1170) и разработку индивидуальных решений для монтажа конструкций в рамках крупномасштабных проектов по всему миру.
- Введение: Инженерные основы крупномасштабных солнечных электростанций
Крупномасштабные солнечные электростанции — как правило, мощностью от 10 до 500 и более МВт — представляют собой принципиально иные инженерные задачи, чем коммерческие установки на крышах или в жилых домах. Система крепления должна выдерживать десятилетия ветровых, снеговых и сейсмических нагрузок, будучи при этом надежно закрепленной в грунтовых условиях, которые могут значительно различаться на одной и той же площадке площадью в сотни гектаров. Конструкция фундамента, идеально работающая на песчано-суглинистой почве северо-восточного солнечного пояса Бразилии, может разрушиться в течение двух лет на расширяющихся глинистых почвах Северной Капской провинции Южной Африки.
Конструкция наземных солнечных батарей обманчиво проста по своей сути — стальные или алюминиевые конструкции, поддерживающие фотоэлектрические модули под фиксированным или отслеживаемым углом наклона, — но чрезвычайно сложна в инженерном исполнении. Каждое проектное решение — от поперечного сечения сваи и глубины заглубления до расстояния между рядами и запаса на коррозию — влияет на экономику проекта, затрагивая не только стоимость системы крепления (обычно 0,06–0,12 долл./Вт), но и требования к земельным участкам, трудозатраты на монтаж и обязательства по техническому обслуживанию в течение 25 лет.
Ключевой ответ: Для солнечной электростанции мощностью 100 МВт каждая сэкономленная 0,01 доллара США/Вт за счет оптимизации конструкции фундамента означает снижение общей стоимости проекта на 1 000 000 долларов США. И наоборот, некачественно спроектированный фундамент, требующий ремонта 5% свай, может компенсировать более 500 000 долларов США непредвиденных затрат на ремонт и упущенной выгоды от выработки электроэнергии.
Данное руководство представляет собой всеобъемлющую инженерную основу для проектирования наземных солнечных электростанций промышленного масштаба. Мы рассматриваем требования к геотехническим исследованиям, выбор и сравнение типов фундаментов, проектирование несущих конструкций, оптимизацию расстояния между рядами, стратегии защиты от коррозии и оптимизацию затрат — опираясь на 19-летний опыт производства компании AISINEE, поддерживающей крупномасштабные проекты в Бразилии, Таиланде, на Филиппинах, в Южной Африке и на других мировых рынках.
- Геотехнические исследования: первый, не подлежащий обсуждению шаг.
Ни один проект наземной солнечной электростанции не должен переходить к проектированию фундамента без всестороннего геотехнического исследования. Стоимость надлежащего геотехнического обследования в 15 000–40 000 долларов ничтожна по сравнению с затратами на устранение повреждений фундамента, обнаруженных после установки свай, которые могут составить более 500 000 долларов. Тем не менее, разработчики проектов, работающие в условиях жестких сроков, часто пытаются продолжить работы, используя данные о грунте из открытых источников или региональные карты грунтов — решение, которое опытные EPC-подрядчики признают основной причиной разрушения конструкций наземных электростанций.
Ключевой ответ: Геотехнические разведочные скважины следует располагать с интервалом 50–100 м по всей территории проекта, при этом как минимум одна скважина должна быть пробурена в каждой отдельной зоне грунта, определенной в ходе предварительного обследования. Для участков площадью более 100 гектаров экономически эффективными дополнительными данными являются конусное пенетрометрическое исследование (КПЭ) с интервалом 25–50 м.
В отчете о геотехнических исследованиях должны быть представлены следующие минимальные данные для проектирования фундамента:
Стратиграфия почвы: послойное описание, включая тип почвы (классификация USCS), глубину, плотность/консистенцию и визуальную классификацию.
Несущая способность: предельная и допустимая несущая способность на каждой соответствующей глубине — имеет решающее значение для определения глубины заложения сваи и состояния ее наконечника (опорная или фрикционная свая).
Потенциал коррозии почвы: электрическое сопротивление (Ом·см), pH, содержание растворимых хлоридов (ppm), содержание растворимых сульфатов (ppm) и окислительно-восстановительный потенциал — напрямую определяют требуемые параметры защиты от коррозии.
Условия грунтовых вод: глубина залегания сезонно высоких уровней грунтовых вод, агрессивность грунтовых вод (pH, сульфаты, хлориды) и диапазон сезонных колебаний.
Боковая реакция грунта: кривые py или модуль реакции основания (значение k) для анализа бокового воздействия на сваи — необходимы для проектирования сопротивления ветровым нагрузкам.
Глубина промерзания (где применимо): максимальная глубина проникновения инея для регионов с холодным климатом в Европе и высокогорных районах.
- Типы фундаментов: критерии отбора и сравнительный анализ.
Наземные фундаменты для солнечных электростанций делятся на четыре основные категории, каждая из которых имеет свои преимущества, ограничения и структуру затрат. Оптимальный выбор зависит от состояния грунта, масштаба проекта, местных строительных норм и наличия оборудования.
3.1 Фундаменты на забивных сваях (стальные с С-, Z- или U-образным профилем)
Забивные стальные сваи — обычно С-образного, Z-образного или H-образного профиля — являются наиболее распространенным типом фундамента для крупных солнечных электростанций по всему миру, на их долю приходится приблизительно 65–70% установленной мощности. Сваи забиваются на проектную глубину с помощью гидравлических или вибрационных молотов, установленных на специализированных сваебойных установках или экскаваторах.
Основные преимущества: высокая скорость установки (200–400 свай в день на одну буровую установку), отличное сопротивление боковым нагрузкам, хорошо зарекомендовавшая себя методология проектирования в соответствии со стандартами ASCE/AISC/EN и умеренная стоимость (0,03–0,06 долл. США/Вт установленной мощности). Основные ограничения: непригодны для каменистых или богатых валунами грунтов, требуют геотехнических данных для определения глубины заглубления и имеют ограниченную защиту от коррозии, если не указана сталь ZAM или дополнительное покрытие.
3.2 Винтовые сваи / Грунтовые фундаменты
Винтовые сваи состоят из центрального стального стержня с одной или несколькими винтовыми опорными пластинами, приваренными через заданные интервалы. Они ввинчиваются в грунт с помощью гидравлических моментных двигателей, что исключает необходимость ударного забивания и связанного с этим шума/вибрации.
Наилучшие области применения: участки с низкой или умеренной несущей способностью грунта, где необходимо увеличить площадь опоры, экологически чувствительные участки, где необходимо минимизировать вибрацию, и проекты, требующие демонтажа фундамента по окончании срока службы. Стоимость: 0,04–0,08 долл. США/Вт с установкой, при этом стоимость материалов выше, но стоимость монтажного оборудования часто ниже по сравнению с забивными сваями.
3.3 Бетонный балласт / Сборные фундаменты
Бетонные фундаменты — монолитные или из сборных блоков — используют массу и площадь опоры, а не заглубление, для обеспечения несущей способности. Они являются предпочтительным решением для участков, где невозможно забивка свай: твердая скальная порода вблизи поверхности, полигоны для захоронения отходов с требованиями к защите мембранами или участки с археологическими ограничениями.
Основной компромисс: устраняет зависимость от геотехнических параметров, но значительно увеличивает стоимость материалов (0,08–0,15 долл./Вт) и усложняет логистику (доставка бетона на удаленные объекты). Кроме того, балластные фундаменты требуют ровной, подготовленной поверхности и менее подходят для наклонной местности.
3.4 Матрица сравнительного выбора фундамента
| Критерий | Забитая свая (стальная) | Винтовая свая | Бетонный балласт | Винт заземления |
| Стоимость установки/Вт | 0,03–0,06 долл. | 0,04–0,08 долл. | 0,08–0,15 долл. | 0,04–0,07 долл. |
| Скорость установки | 200–400 геморроидальных узлов в день | 100–200 геморроидальных узлов в день | 50–100 единиц/день | 150–300 винтов в день |
| Совместимость с почвой | Большинство типов почв; бедны каменистыми породами. | Мягкие и среднемягкие почвы | Любая почва (требуется выравнивание). | Большинство типов почв; бедны каменистыми/гравийными породами. |
| Риск коррозии | Умеренный (HDG) / Низкий (ZAM) | Умеренный (HDG) / Низкий (ZAM) | Низкий (бетон пассивный) | Умеренный (HDG) / Низкий (ZAM) |
| Съемность | Умеренная сложность | Легко (открутить) | Легко (вынимается) | Легко (открутить) |
| Наклонная местность | Отличная адаптивность | Хорошая адаптивность | Плохое состояние (требует повышения уровня) | Хорошая адаптивность |
| Наилучшее соответствие рынку | Бразилия, Таиланд, Филиппины | Европа, Южная Африка | Скальные участки, свалки | Песчаные почвы, регион Ближнего Востока и Северной Африки |
- Проектирование конструкций: учет ветровых, снеговых и сейсмических нагрузок.
Наземные солнечные электростанции должны выдерживать три основных типа нагрузок в течение расчетного срока службы более 25 лет. Определяющий тип нагрузки варьируется в зависимости от географического положения: в тропических и прибрежных зонах преобладает ветровая нагрузка; в северных широтах — снеговая нагрузка; в тектонически активных регионах — сейсмическая нагрузка.
4.1 Расчет на ветровую нагрузку
Ветер является определяющей нагрузкой для наземных систем примерно на 80% площадок проектов по всему миру. Ключевая задача ветроэнергетики заключается в аэродинамике: солнечные батареи ведут себя как наклонные плоские пластины, создавая как силы давления (наветренная сторона), так и силы всасывания (подветренная сторона), которые изменяются в зависимости от направления ветра, интенсивности турбулентности и геометрии батареи.
Ключевые параметры расчета ветровых нагрузок включают: расчетную скорость ветра согласно применимым стандартам (ASCE 7-16, EN 1991-1-4, AS/NZS 1170.2, NBR 6123, NSCP 2015), категорию местности и степень воздействия (обычно это открытая местность), топографические коэффициенты усиления (критически важны для участков на гребнях хребтов) и коэффициенты аэродинамического давления (зоны по краям и углам массива испытывают давление в 1,5–2,5 раза большее, чем внутренние зоны).
Ключевой ответ: Для наземных антенных решеток на открытой местности аэродинамический коэффициент формы (Cp.net) обычно составляет от 0,8 до 1,6, причем верхний предел относится к передней кромке первого ряда и углам решетки. Недостаточное проектирование креплений периметра ряда с использованием коэффициентов давления во внутренней зоне является наиболее распространенным видом структурных отказов в крупномасштабных наземных системах.
4.2 Расчет на снеговую нагрузку
На европейских (Франция, Германия) и высокогорных рынках снеговая нагрузка может достигать 0,5–2,5 кН/м². Ключевые факторы включают неравномерное распределение снега (снежные заносы вызывают большую нагрузку на подветренные ряды), скольжение снега с верхних рядов на нижние на склонах, а также комбинированные нагрузки от снега и ветра в соответствии с требованиями EN 1991-1-3/ASCE 7-16 к сочетанию нагрузок.
4.3 Сейсмическое проектирование
Для проектов в сейсмически активных регионах (Мексика, Колумбия, Филиппины, некоторые части Юго-Восточной Азии) необходимо обеспечить противодействие боковым сейсмическим нагрузкам за счет адекватного заглубления свай, использования моментоустойчивых соединений и учета потенциала разжижения грунта. Для участков в зонах умеренной и высокой сейсмичности требуется проведение оценки сейсмической опасности с учетом специфики площадки в соответствии с ASCE 7-16, глава 11/12, или EN 1998-1.
- Оптимизация междурядий: баланс между использованием земли и урожайностью.
Расстояние между рядами является основным фактором, определяющим как эффективность использования земли (МВт на гектар), так и выработку энергии (МВт·ч на МВт). Оптимизация этого параметра требует баланса между противоречащими друг другу целями: минимизацией стоимости земли и максимизацией годовой выработки электроэнергии.
Ключевым показателем является коэффициент застройки (GCR), определяемый как отношение площади модуля к общей площади земельного участка. Для систем с фиксированным наклоном:
GCR = 0,35–0,40: Консервативный проект. Низкое затенение между рядами (35°), двусторонних модулей и рынков с высокой стоимостью земли.
GCR = 0,40–0,50: Оптимизированная конструкция. Умеренное затенение между рядами (2–4% годовых потерь, компенсируемых большей мощностью постоянного тока на гектар). Подходит для большинства крупномасштабных проектов на широтах 15–35°.
GCR = 0,50–0,60: Агрессивный дизайн. Более высокие потери на затенение (4–8%), но максимальная мощность в МВт/га. Лучше всего подходит для участков с низкой широтой (
Ключевой ответ: Для площадки мощностью 100 МВт на широте 25° увеличение коэффициента GCR с 0,38 до 0,48 снижает потребность в земле примерно на 21% — со 185 гектаров до 146 гектаров — при этом ежегодные потери от затенения увеличиваются всего на 1,8–2,2%. При типичных ставках аренды земли в 300–1200 долларов США/га/год эта оптимизация позволяет сэкономить 12 000–47 000 долларов США в год.
- Защита от коррозии: подбор материалов в соответствии с условиями грунта.
В отличие от кровельных систем, фундаменты, устанавливаемые на земле, находятся в постоянном контакте с грунтом — электролитической средой, которая вызывает коррозию под воздействием влаги, растворенных солей, кислот и микробной активности. Стратегия защиты от коррозии должна соответствовать агрессивности грунта на конкретном участке.
| Состояние почвы | Риск коррозии | Рекомендуемая защита | Ожидаемый срок службы |
| Нейтральный pH (6,5–7,5), удельное сопротивление >10 000 Ом·см | Низкий | Высокотемпературное цинкование (HDG, G90/Z275) или анодирование алюминия AA15 | Более 25 лет |
| Слабокислый/щелочной, удельное сопротивление 2000–10000. | Умеренный | Оцинкованная сталь (G115/Z350) или сталь ZAM (Zn-Al-Mg) | 20–25 лет |
| Кислая (pH | Высокий | Сталь ZAM (Zn-Al-Mg) с покрытием, эквивалентным как минимум стали Z275. | 15–25 лет с ЗАМ |
| Прибрежные/морские районы, содержание хлоридов >500 ppm, удельное сопротивление | Серьезный | Сталь ZAM + дополнительное покрытие или алюминий морского класса. | минимум 15–20 лет |
Ключевой ответ: Сталь с цинково-алюминиево-магниевым (ZAM) покрытием обеспечивает в 10–20 раз более высокую коррозионную стойкость по сравнению со стандартной сталью, оцинкованной горячим цинкованием (HDG), в агрессивных грунтах, что подтверждено испытаниями на коррозионную стойкость в нейтральном солевом тумане и циклической коррозии по стандарту ISO 9227. Для проектов в тропической Бразилии, прибрежной Юго-Восточной Азии или кислых грунтах Южной Африки фундаменты из стали ZAM могут увеличить срок службы с 8–12 лет (HDG) до 20–25+ лет.
▶ Узнайте больше о решениях AISINEE для наземного монтажа, использующих коррозионностойкую сталь ZAM.→
- Стратегии оптимизации затрат для крупномасштабных наземных проектов электроэнергетических установок
Оптимизация стоимости наземных систем требует системного подхода — оптимизация отдельных компонентов в отрыве от контекста часто приводит к неоптимальной общей экономической эффективности проекта. Следующие стратегии были подтверждены в рамках портфеля крупномасштабных проектов AISINEE.
| Стратегия оптимизации | Потенциальная экономия | Подход к реализации | Учет рисков |
| Предварительно собранные компоненты | 0,005–0,01 долл./Вт | Заводская предварительная сборка зажимов, крепежных элементов и небольших узлов. | Немного больший объем отгрузок |
| Оптимизированная свайная конструкция с использованием геотехнических методов | 0,005–0,015 долл./Вт | Глубина заглубления зависит от конкретного участка и почвенного слоя, а не от единообразной конструкции. | Требуются подробные геотехнические данные. |
| Стандартизированный угол наклона | 0,003–0,008 долл./Вт | Единый наклон по всей территории участка против оптимизации по широте для каждой зоны. | Небольшой (0,5–1,5%) ежегодный энергетический излишек. |
| Оптимизированная погрузка контейнеров | 0,002–0,005 долл./Вт | Размещение компонентов и смешанная загрузка для максимального использования контейнера. | Незначительное увеличение времени сортировки на месте. |
| Сталь ZAM используется только в агрессивных зонах. | 0,003–0,007 долл./Вт | Двухкомпонентная технология: ZAM для зон с высокой коррозионной стойкостью, HDG для зон с низкой коррозионной стойкостью. | Требуется составление карты зон на основе геотехнического отчета. |
При правильном сочетании и реализации эти стратегии могут снизить общую стоимость наземной установки на 0,02–0,04 долл./Вт по сравнению с неоптимизированным базовым вариантом — что составляет 200 000–400 000 долл. для проекта мощностью 10 МВт и 2–4 миллиона долл. для крупномасштабной установки мощностью 100 МВт.
- Наземные решения AISINEE для крупномасштабных проектов в сфере электроэнергетики
Компания AISINEE поставляет наземные системы крепления для крупных солнечных электростанций в Бразилии, Таиланде, на Филиппинах, в Южной Африке и на других международных рынках. Наш 19-летний опыт производства в сочетании с возможностью работы с двумя материалами (алюминий + сталь ZAM) позволяет оптимизировать системы под конкретные проекты, чего не могут обеспечить стандартные каталоги монтажных решений.
Наша инженерная поддержка крупномасштабных наземных установок включает в себя:
Полный комплекс услуг по проектированию фундаментов: интерпретация геотехнических данных, расчет несущей способности свай (осевой и боковой), оптимизация глубины заложения и разработка критериев забивки свай — в соответствии со строительными стандартами конкретного проекта (ASCE 7-16, EN 1991, AS/NZS 1170, NBR 6123, NSCP).
Полный комплекс услуг по проектированию несущих конструкций: расчет коэффициентов аэродинамического давления в аэродинамической трубе или с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD), структурный анализ (SAP2000/STAAD/RFEM), проектирование соединений (болтовые и сварные) и проверка на прогиб/вибрацию.
Спецификация защиты от коррозии: оценка коррозионной активности грунта, прогнозирование срока службы покрытия в соответствии со стандартами ISO 9223/9224 и выбор материалов (сталь ZAM, анодированный алюминий, дополнительные покрытия) в соответствии с проектным сроком службы.
Оптимизация расстояния между рядами и выработки энергии: моделирование в PVsyst для оптимизации GCR, оценка двустороннего выигрыша при различном расстоянии между рядами и анализ компромисса между землепользованием и выработкой электроэнергии.
Предварительная сборка и комплектация: заводская предварительная сборка повторяющихся субкомпонентов, оптимизированная для контейнерной упаковки комплектация по блокам массива и последовательная доставка для монтажа точно в срок — сокращение трудозатрат на объекте на 15–25%.
Полный комплект сертификационной документации: сертификаты испытаний материалов (заводские сертификаты), отчеты о толщине покрытия, пакеты расчетов несущих конструкций для получения разрешения на строительство/проверки инженером заказчика, а также документация, подтверждающая соответствие требованиям финансирования проекта.
Спроектируйте фундамент для вашей солнечной электростанции с уверенностью.
Предоставьте данные о вашем строительном участке — геотехнический отчет, координаты площадки, целевую несущую способность и технические характеристики модулей — чтобы получить полную рекомендацию по наземной системе, включающую проектирование фундамента, структурный анализ и конкурентное ценовое предложение в течение 48 часов.
Электронная почта: sales@aisinee.com | WhatsApp/WeChat: +86 18959208931 | www.aisinee.com
Предупреждение:
В данной статье представлены общие инженерные рекомендации по проектированию наземных солнечных электростанций. Все конструктивные решения должны быть выполнены и сертифицированы квалифицированными инженерами, имеющими лицензию в юрисдикции проекта, на основе геотехнических исследований, структурного анализа и применимых строительных норм и правил, специфичных для данного участка. Типы фундаментов, их размеры и спецификации по защите от коррозии должны быть подтверждены для каждого конкретного участка проекта.
Об авторе
Техническая инженерная команда AISINEE
С 2006 года компания AISINEE (Xiamen Art Sign Co., Ltd.) специализируется на проектировании и производстве систем крепления солнечных фотоэлектрических панелей из алюминия и стали ZAM. Обладая 19-летним опытом производства, наша команда из 86 инженеров и производственных специалистов поддерживает крупномасштабные, коммерческие и жилые солнечные проекты в Бразилии, Франции, Таиланде, на Филиппинах, в Колумбии, Южной Африке, Мексике и на других мировых рынках. Мы имеем сертификаты ISO 9001, CE (EN 1090-1), TUV Rheinland, SGS и RoHS. Мы предлагаем индивидуальное проектирование, отсутствие минимального объема заказа на стандартные аксессуары и быструю международную логистику.
LinkedIn: linkedin.com/company/aisinee | Facebook: facebook.com/aisinee | www.aisinee.com
По всем вопросам, касающимся систем крепления солнечных батарей, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте: sales@aisinee.com, WhatsApp/WeChat или Skype: +86 18959208931. Спасибо.