吕 妍，张慧琪，张 谧，王 迪，付世博，田航臣
(1.东北石油大学物理与电子工程学院，大庆 163318；
2.中国石油海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028；
3.东北石油大学土木建筑工程学院，大庆 163318)
可再生能源发电的全球平均发电成本已降至化石能源发电成本范围内，预计2030 年迪拜、墨西哥、秘鲁、智利和沙特阿拉伯等国家的光伏发电成本可低至0.03 美元/kWh[1]。随着光伏发电技术持续优化，其成本还将继续下降，这为黑龙江省大庆地区这类传统工业区发展清洁能源产业提供了良好的机遇[2]。
目前，大庆地区新建的大型光伏发电项目以地面光伏电站为主，通常布局在城市周边的开阔平坦的盐碱地、非基本草原等难以作为耕地使用的土地上，而在这类土地上建设光伏电站会对电站造成不利影响。从环境因素对电站的影响来看：一方面，东北严寒地区盐碱地的腐蚀和冻胀融沉会对光伏支架和支架基础的稳定性产生较大影响，随着季节性土地冻融，地下水的热迁移运动将导致光伏支架及其基础发生位移，最终造成光伏组件安装倾角偏移；
另一方面，大庆地区属于北温带大陆性季风气候区，受蒙古内陆冷空气和海洋暖流季风的影响，其春秋两季的风力强盛，全年风力大于6 级的天数超过30 天，光伏支架结构存在形变隐患，风的干扰亦给光伏组件带来安装倾角偏移的结果。
国内外学者针对光伏支架承载力、稳定性及其受风、雪荷载等的影响开展了大量研究，研究结果表明：光伏支架结构的形变会对光伏组件安装倾角偏移产生直接影响[3-7]。然而，关于光伏组件在光伏支架冻胀融沉偏移影响下发电性能改变的研究报道相对较少。在季节性冻土地区，施工过程中应注意光伏支架基础的防冻胀措施，好的措施可以充分发挥防冻胀的作用，减少或消除冻胀影响，缩短施工周期。因此，开展光伏支架冻胀融沉偏移对光伏组件发电性能影响研究，可为了解季节性冻土等复杂地质情况下的光伏发电特性提供参考。基于此，本文以建于大庆地区的国家光伏、储能实证实验平台(大庆基地)二期工程项目为例，采用光伏支架因土基差异冻胀融沉引起的偏移程度表征光伏组件安装倾角偏移量，利用光伏发电系统设计软件PVsyst 7.2 开展光伏支架冻胀融沉偏移对光伏组件发电量影响的分析。
大庆市位于高纬度低海拔地区，具有较丰富的太阳能资源，光照充足，降水偏少，冬季寒冷漫长，夏秋凉爽。大庆市的年平均气温为4.2℃，最冷月的平均气温为-18.5 ℃，极端最低气温为-39.2 ℃；
最热月的平均气温为23.3 ℃，极端最高气温为39.8 ℃；
年均无霜期为143 天；
年均风速为3.8 m/s，全年风力大于6 级的天数超过30 天；
年降水量为427.5 mm、蒸发量为1635 mm，年干燥度为1.2；
年日照时数为2726 h，年总太阳辐射量在4800～5000 MJ/m2之间。通过公式计算及查询相关文献，得到大庆地区光伏组件的最佳安装倾角为41°，方位角为正南方向[8]。国家光伏、储能实证实验平台(大庆基地)二期工程项目的光伏场区位于大庆市大同区高台子镇境内，在长岗子村东部，为平原地形，地势开阔，大致呈狭长型分布，南北长约为9.0 km，东西最宽处约为0.8 km，整个光伏场区的占地面积约为6.1 km2，具体如图1 所示。
图1 光伏场区地形图Fig. 1 Topographic map of PV field area
但该光伏场区的特点是地下水位较高，地质属于严寒地区的季节性冻土，传统的光伏电站施工工艺与方法在此处已不适用。
本文中的光伏支架基础以预应力高强混凝土(PHC)桩为例进行分析。在冻土地质条件下，冬季时桩基础易发生不均匀冻胀抬升，而在春季时，由于气温升高，支架基础又会产生融沉现象，出现差异冻胀融沉情况，从而导致光伏支架发生偏移，进而改变光伏组件的安装倾角，增加维护成本，降低光伏组件使用寿命和光伏电站的发电效率。冻土发生差异冻胀融沉情形下光伏支架的偏移示意图如图2 所示。图中：H1为向阳面的冻结区厚度；
H2为背阳面的冻结区厚度。
图2 冻土差异冻胀融沉下光伏支架的偏移示意图Fig. 2 Schematic diagram of deviation of PV brackets under differential frost heave and thaw settlement in frozen soil
当冻土处于负温环境时，孔隙中的部分水分会冻结成冰，导致土体原有的热平衡和力学平衡被打破，土中各相成分的受力状态发生变化，土骨架受拉分离，土体体积逐渐增大，发生冻胀现象[9]。发生冻胀现象后，土壤中的液态水变成冰，由于冰对土颗粒的胶结作用，从而加强了土体的承载性能，但因冻胀变形破坏了原有的力学平衡，会对支架基础形成上拔作用，对其上部结构造成不利影响[10]。因此，需要在室内利用冻融循环机进行土体冻胀试验，得到随温度降低土体体积应变的变化情况(如图3 所示)，然后在此基础上，结合大庆当地的气象历史条件来设置土体温度变形系数，以便更好地模拟当地的冻土情况。
图3 随温度降低土体体积应变的变化Fig. 3 Variation of soil volume strain as temperature decreases
使用ANSYS 程序建立PHC 桩基础－土体有限元模型，利用Solid187 四面体单元对模型进行离散化处理，并在桩基础与土体交界处、PE套管与土体交界处引入精细化网格，如图4 所示。模型中，土壤被理想化为一个高7.8 m、直径为4 m 的圆柱体，将其从上到下切分为3 个部分，分别是冻胀性粉质粘土、粉质粘土和中砂；
PHC桩基础的内、外径分别为160 和300 mm；
PE 套管的直径为355 mm、壁厚为8 mm。
PE 套管作为PHC 桩基础外套是国家光伏、储能实证实验平台(大庆基地)二期工程项目建设过程中处理地基冻害的一项试验性措施，其主要原理是：在地基土冻深范围内，利用PE 套管减小PHC 桩基础发生冻拔时的位移，从而减少桩基础上部光伏支架的冻胀变形量。假设PE 套管无破坏失效，且其在发生明显冻拔后仍能及时归位。由于PE 套管的大部分结构长期处于土壤静压环境下，根据其力学性能，随着时间的推移易产生蠕变和应力松弛现象，因此逐次改变PE套管的性能参数后对光伏支架和基础体系进行差异冻胀融沉下光伏支架的偏移量模拟。光伏电站寿命周期内差异冻胀融沉下光伏支架的偏移量模拟结果如图5 所示。
图5 光伏电站寿命周期内差异冻胀融沉下光伏支架的偏移量模拟结果Fig. 5 Simulation results of offset of PV brackets under differential frost heave and thaw settlement in frozen soil during life cycle of PV power station
从图5 可以看出：光伏支架在差异冻胀融沉的影响下最大偏移量可达到18°，这也意味着光伏组件的安装倾角会发生最大18°的偏移。
3.1 模拟结果分析
以采用单桩基础的固定式光伏支架作为研究对象，用光伏支架因土基差异冻胀融沉引起的偏移程度表征光伏组件安装倾角的偏移量。采用光伏发电系统设计软件PVsyst 7.2 开展差异冻胀融沉对光伏组件发电量影响的分析。
光伏组件参数选用软件自带的由隆基光伏科技(香港)有限公司生产的550 W 单晶硅光伏组件的参数，光伏组件初始安装倾角设置为41°，初始方位角设置为0°(对应北半球的正南方向)，站点选择大庆地区，仿真参数设置如图6 所示。
图6 仿真参数设置Fig. 6 Simulation parameter settings
由上文可知，在大庆地区，差异冻胀融沉会造成光伏组件安装倾角最大偏移量达到18°，分别选取春分、夏至、秋分、冬至这4 个典型日，分析光伏组件安装倾角偏移对其发电量的影响，结果如图7 所示。需要说明的是，图中横轴的0°代表的是光伏组件的初始安装倾角41°；
负号代表光伏支架是向后倾斜(即“发生负偏移”)；
正号代表光伏支架是向前倾斜(即“发生正偏移”)。为降低单块光伏组件模拟结果存在的不确定性，选择对多块光伏组件进行模拟，光伏组件的总装机容量为5.5 kW。
图7 不同光伏组件安装倾角偏移量下的日发电量和年总发电量Fig. 7 Daily and total annual power generation capacity under different installation inclination angle offsets of PV modules
从图7 可以看出：
1) 4 个典型节气下，除春分和秋分时，光伏组件安装倾角变化对其日发电量的影响规律较为相似外；
春分(秋分)、夏至、冬至时，光伏组件安装倾角变化对其日发电量的影响规律存在较大差异，这主要是由不同节气时不同太阳高度角下直接辐照度与光伏组件安装倾角耦合作用造成的。
2)在春分和秋分时，光伏组件安装倾角变化对其日发电量的整体影响较小，光伏组件安装倾角发生负偏移时的发电量低于其发生正偏移时的发电量，当偏移量为-18°时，光伏组件日发电量分别降低5.0%和6.7%。
3)在夏至日，当光伏组件安装倾角偏移量在-18°～18°范围内变化时，光伏组件的日发电量随光伏组件安装倾角负偏移量的增大而上升，随光伏组件安装倾角正偏移量的增大而下降；
当安装倾角偏移18°时，光伏组件的日发电量降低19.32%。
4)与夏至日相比，冬至日时光伏组件的日发电量随安装倾角偏移量的变化情况恰恰相反，安装倾角偏移-18°时，其日发电量降幅最大，达到22.64%。
5)虽然不同节气下，光伏组件安装倾角发生偏移后其发电量最大值均不是在其采用初始安装倾角时，但通过分析年总发电量可知，在初始安装倾角下光伏组件的年总发电量仍是最高的，安装倾角正偏移对年总发电量的降低程度低于负偏移时。
3.2 改进措施
对于在冻土区建设的光伏电站，考虑到差异冻胀融沉对光伏组件发电量造成的不利影响，需对光伏支架、支架基础、光伏发电设备做相应的抗冻措施，然后根据实证和试验研究各种场地下光伏电站的抗冻胀施工方案。当有多个备选方案时，可通过软件预算每种方案时光伏电站的基础设计及抗冻胀措施成本，根据试验和实证客观检验各种基础设计和抗冻胀措施的效果。综合上述结果，评定每种光伏支架基础设计和抗冻胀措施，提出适用于项目地的方案。
本文以建于大庆地区的国家光伏、储能实证实验平台(大庆基地)二期工程项目为例，针对该地区季节性冻土存在的差异冻胀融沉现象，以光伏支架因土基差异冻胀融沉引起的偏移程度表征光伏组件安装倾角偏移量，利用光伏发电系统设计软件PVsyst 7.2 开展了光伏支架差异冻胀融沉偏移对光伏组件发电量影响的分析。分析结果显示：在不同节气下光伏组件日发电量随安装倾角变化呈现不同的变化规律；
虽然不同节气下，光伏组件安装倾角发生偏移后其发电量最大值均不是在其采用初始安装倾角时，但通过分析年总发电量可知，在初始安装倾角下光伏组件的年总发电量仍是最高的，安装倾角正偏移对年总发电量的降低程度低于负偏移时。在高纬度、低海拔的季节性冻土条件下，由于光伏阵列的存在，导致基础周边土体在冻结和融化期会出现不均匀变形，以期通过开展光伏支架及桩基础差异冻胀融沉偏移研究为保障光伏组件使用寿命和光伏电站发电效率提供参考。