华能清洁能源研究院蒋河川博士：光伏柔性支架——光伏与生态的协奏和弦

1月10日，索比光伏网主办的第二届光能杯·创新分享会在苏州盛大召开。会上，众位大咖围绕新技术、新产品、新模式三大主题展开讨论，并对2024年年度创新产品作出表彰。

华能清洁能源研究院蒋河川博士表示，光伏柔性支架是一种源于建筑、桥梁领域的大跨度空间结构技术，具备大跨度、高净空、低成本、环境友好等优势，可以更好地与光伏和农业、光伏和治沙、光伏和林业的结合。柔性支架最核心的是受风荷载控制的系统，华能清洁能源研究院通过大量测试分析，不管是两索还是三索，柔性支架的核心风阵效应有两种，第一种是竖弯，第二种是扭转。这两种风阵形式的核心都是寻找结构关键风振控制点。对于单层索系，我们采用预应力+地锚+L型杆件，把排与排之间连到一起，通过排间的连接，形成整体的稳定结构，抵抗扭转力。对于双层索，采用预应力+稳定索系统，将每一跨、每一排进行横向连接，用于抵抗风荷载。

以下为嘉宾发言实录：

大家下午好，很荣幸受索比光伏的邀请参加今天的活动，我叫蒋河川，来自华能清洁能源研究院。

报告主要从如下四个方面展开。

一、关于华能清能院

在介绍华能清能院之前，向各位来宾和专家介绍一下华能集团。

中国华能集团有限公司(简称中国华能)成立于1985年，是经国务院批准成立的中央骨干电力企业。主要业务包括电源的投资开发建设，以及电力、热力的生产销售，还有金融、煤炭、能源、交通等领域。

目前华能全资控股的电源体量大概在2亿千瓦，最新数据应该是2.2亿千瓦。低碳清洁能源占比超过40%。我们目前也是国内最大的民生供热企业，近些年整个新能源板块在华能得到了非常大的重视和发展机遇。我们提出，在“十四五”期间要新建新能源8000万千瓦，其中光伏占比要超过一半，规模和体量在4500万千瓦以上。

接下来介绍一下华能清能院，全称是中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，直属于华能集团新能源技术的研发中心，主要从事风电、光伏、氢能、储能、二氧化碳捕集等技术领域。发展定位是打造国际、国内领先一流的清洁能源研发机构，目前我们有14家国家级、省部级研发平台，涵盖海上风电。还有诸多同仁讲到的光伏、异质结、钙钛矿、二氧化碳捕集利用、煤炭清洁利用等技术方向。

二、技术背景

回到报告的主题，上一个报告也讲了柔性光伏支架。我今天站在这里，作为用户单位的科研代表，跟各位专家交流汇报我们对于这种新技术，尤其是我们作为投资开发建设单位，在投资开发建设过程中发现的技术问题，以及我们在这些技术问题中做的探索和尝试。

大的技术背景就不多讲了。自从双碳战略提出以来，新能源得到飞速发展，光伏具有非常宏伟、非常美好的前景。华能顺应国家双碳清洁发展的目标，“十四五”期间，我们有超过4500万千瓦的光伏投资开发规模。但正如刚刚提到的，现在对于海上光伏开发，今天又出了新政策，但是对于陆上的，自然资源部、国家农业局、林业局等等，都对光伏用地进行了限制要求，对林地、园地、未利用地进行了安排。对于光伏而言，现在面临两个最大的问题。一是土地资源受限，二是消纳问题。这两个问题，都是光伏发展的主要掣肘。其中的土地受限问题，是近两年项目开发过程中遇到的非常大的问题。有些项目在前期指标规划的阶段在200MW、300MW，到可研，到础设，到最后的施工阶段，可能最后就做到100MW，只有一半的容量，土地成了我们很大的限制。

三、大跨度光伏柔性支架技术

2020年，我们开始关注柔性支架技术。当时是在西南项目的山地上，土地实在找不到了，我们尝试光伏柔性支架技术应用于山地项目的开发。我们发现，柔性支架其实是源于建筑桥梁领域的大跨度空间结构技术，这个技术本身是很成熟的。这里可能没有做桥梁空间结构的专业同志，但这个技术本身其实发展了很多年，包括悬索桥、大型体育馆等，应用很成熟。但实际上应用于光伏，它的问题很多。建光伏电站，柔性支架也好，跟踪支架也好，最后的目的是要服务于光伏发电，所以组件本身的可靠性是它的第一个问题。其次，在桥梁领域应用，预应力结构可以做到很精密的设计和施工，但是在光伏领域，尤其是像山地光伏这些复杂的建设条件下，很难管控建造技术。柔性支架技术本身，其实是很有先进性和适应性的，具有高强度、大跨度的结构特点，能够很好地适应地形，可以做光伏和农业、光伏和治沙、光伏和林业的结合。

具体的技术优势刚刚也讲了，可以做到10-60m的跨度范围，净空也可以做得更好，并且可以减少钢材利用。为什么能省钢材?主要是因为整个柔性支架体系采用的是预应力的索结构，主要承受的是拉和压，很少受弯，钢材受弯能力都比较差，可以很好地发挥材料性能，提升项目的经济性。其次是它的基础数量少，具有很好的环境友好特色。在山地上，尤其是像云南出现沙漠化、荒漠化的土地上，基础数量越少，对地表的扰动越少，采用柔性组件，可以更好地减少对环境的破坏。

但它也有很多问题，柔性支架源于建筑桥梁领域，它最开始只关注结构本身的安全，所以它的标准、规范、技术要点，更多关心的是结构本身。但是用于光伏领域，首先是在光伏的设计之中，不管是采用柔性支架还是普通支架，首先是荷载。光伏是受风控制的结构，在这个体系之下怎么计算荷载?目前柔性支架是比较缺失的。

其次是在结构设计方面，柔性支架参考的，就是以前的索结构标准，跨与跨之间的下垂。在索结构以及单跨的悬索桥上是1/3的结构，只要结构本身不发生破坏，安全就行了。但是用在光伏上是不一样的，变形大了，组件裂了怎么办?投资开发的这25年，能保证它的发电效益吗?这个问题是我们作为开发单位，非常关心、非常看重的点。所以第二个问题是结构设计如何保证组件的可靠性。其三是结构本身，因为是用在复杂的山地、渔光环境，柔性支架采用的索锚结构，怎么保证它的耐候性，以及25年期间的使用?大家可能会想，50年、100年都没问题，柔性支架为什么要这样考虑?主要核心原因在于，光伏本身是降本增效的阶段，中间采用的锚具、防腐以及材料本身怎么保证?还有运维的问题。

针对这些问题，清能院从华能在建的项目中做了一些研究和探索。

1、基于有限元的多源耦合设计方法。

首先就是荷载，光伏组件核心的是风荷载，风荷载要怎么算?

其次，柔性是非线性变化的，它的变形和力不是成正比的，怎么计算?理论上来说，在建筑桥梁领域都有一些计算方法。核心是风荷载怎么算，一吹风，结构和组件会被破坏。所以我们的方法，一个是通过风洞实验，其次是通过户外原型的测试实验，我们做了两个风洞实验，包括刚性的模型实验，测试风荷载，以及气弹实验，看看它的响应特性。

知道了柔性结构荷载的情况之后，接下来就是怎么设计、怎么算。我们这里提了一个名字，结构整体数值模拟。主要核心是复杂山地项目中，地形是起伏变化的。在起伏变化的地形下，如果还用常规固定支架的设计方法，就设计2×13或2×14的支架，设计完、校核完就可以了，就这样应用于柔性支架，肯定是万万不行的。在复杂山地的情形下，山地的起伏，会造成材料长短的变化、受力的变化，对荷载的影响非常大。我们之前也有一些项目，就是因为设计方拉了一个典型的阵列，设计完，大风一刮，出了问题。我们一分析，主要就是这个原因，没有做整场结构的设计。

做了整场结构设计之后，要做关键节点的校核，主要就是针对中间索锚的锚固节点、连接节点。

2、高可靠性结构——单层索系。

现在市面上的柔性支架主要是两种结构形式，第一种是由两根索平行预应力钢绞线支撑光伏组件。它的特点是结构简单，成本很低，主要限制是跨度的影响。我们做了大量计算，对于单层索，建议它的跨度不要超过20m。如果做了一些定制化的详细分析和设计，也不要超过25m，这是我们推荐的跨度范围。同时，也要在中间做相应的抗风措施，包括L型连接的地锚结构，在南北向进行一些串联。第二种是三索，这是渔光用的比较多的结构，在下方多设置了一根稳定索或者叫承重索，中间通过稳定的杆件连到一起抵抗风荷载。这个结构的特点是，跨度可以做到更大，因为它通过了辅助抗风措施，一般会做到20-30m之间，一般在30m左右是比较经济、比较可靠的。

最核心的柔性支架，刚刚提到，它是受风荷载控制的系统，核心就是怎么抗风。不管是两索还是三索，我们做了大量分析，发现它的核心风阵效应有两种，一种是竖向的竖弯，第二种是扭转。这两种风阵形式，核心就是怎么控制它的风振。我们提了一些方案，对于两索，采用预应力+地锚+L型杆件，把排与排之间连到一起，通过排间的连接，形成整体的稳定结构，抵抗扭转力。对于双层索，连接杆件也类似，把每一跨、每一排进行横向连接，抵抗风的荷载。

除了大的结构之外，中间还有一些细小的经验，跟各位专家分享一下。

首先是锚固，做预应力做得最专业的，不知道大家有没有听过，叫欧维姆，应该是上世纪七八十年代就开始做桥梁预应力了，他们也对桥梁锚具做了大量研究工作，柔性支架采用锚具是核心。刚刚推出来的，很多采用的都是夹片锚，这个锚在桥梁领域应用了很多，它是通过两到三片夹片，通过锁的自身内力，在回缩的时候把夹片顶紧，产生自缩的结果进行锚固。但为什么应用于柔性支架就不行呢?因为夹片要吃力，一般表面没有做防腐。用在光伏领域，第一年没问题。但是第二年、第三年，尤其是这些腐蚀的地方，做完之后，要通过灌浆、注塑，把锚具全部进行包覆。桥梁没问题，但光伏能做到吗?很难。如果在山地做，估计度电成本还要提高20%，没法做，所以只能采用其他的方式。如果夹片锚不合适，现在还有一个比较合适的是挤压锚。通过结构的塑性变形来做，所以我们现在提出结构上都要用双锚，做夹片锚+挤压锚，保证锚固的可靠性。上午也有相关专家提到组件现在的边框越做越薄，因为要降低成本，有些也提出用钢边框。我们项目的出发点，目前这种形式下，怎么保证它的可靠性?尤其是柔性支架。在风的作用下，它容易出现振动、晃动的情况。所以我们提出，不能只通过螺栓连接或压块连接，晃着晃着，一场大风组件就全飞了，所以我们提出，组件要采用螺栓+压块的双保险。此外，还有一些复杂山地的结构措施，防止节点失效，这些就不再赘述了。

3、智慧化运维监测、检测技术。

作为投资开发，我们比较关心后期的运行维护。华能做了新能源智慧运维，把全国所有的光伏和风电都接到整个集团的控制中心对它的发电状态进行监测和维护。柔性支架除了发电参数之外，我们还关心它的结构是否可靠，所以我们也做了一套对于柔性支架结构监测的系统，并把它接入集中运维控制的系统当中，主要也是针对柔性支架的阻力、变形、组件振动。

除了监测之外，还有一块是检测，在交流中，这块大家提得比较少，但这个反而是现在项目上最关注的点。首先是柔性支架装完，怎么保证它的设计?结构受力，需要和设计一致，所以我们提出主索索力变形等一系列检测方法，形成标准体系。

目前柔性支架有几项团标发布，相关的行标现在也正在编制。

四、应用案例及前景展望

最后给大家分享一下我们对柔性支架未来应用的判断和展望。

整体而言，柔性支架技术我们还是比较看好的，虽然现在应用过程中出现了比较多的技术问题。

(1)复杂山地。(PPT图示)这是华能在云南月牙柔性支架示范项目，从节约土地面积上，从省材料的角度，减少基础的数量，以及减少对地表扰动方面，柔性支架都有突出优势。

这是整个施工的过程。

这些也是在复杂山地的应用。

现在华能很多项目都是在复杂山地营建的。如果用传统的复杂钢件，占地面积非常大。采用这种方式，平均在15-16亩/MW的水平，可以极大节约对土地的占用，增加装机面积。

(2)农牧光综合项目。

现在全国有3000万亩农业大棚，都可以应用。

(3)渔光综合项目。

可以应用常规支架、漂浮式、柔性支架，可以很好地降低成本，并且可以与渔业互补协作。

(4)茶光综合项目。

我们在云南、贵州、福建、浙江做了一些茶工实验，因为茶树喜阴，在上面做完光伏之后，茶多酚、氨基酸含量有所增加。因为柔性支架的基础数量少，在建设期可以很好地减少对茶园的破坏，所以它也是很有应用前景的。

(5)分布式车棚。

(6)沙戈荒大基地。

大基地很多都是和生态要求结合在一起的，尤其是跟光伏、治沙等生态要求结合在一起。在这种场景下应用柔性支架，项目的集中度非常高，并且对建设成本也比较敏感。同时，下面也要进行治沙作物的种植，可以有效节约成本，其实主要是节约钢材上的成本。可能大部分专家觉得，柔性支架比常规支架成本高，其实在大地面、集中式光伏，柔性支架的用钢量比常规的刚性支架要低。现在贵的原因主要还是因为一些厂家把技术及设计成本含进去了，所以用于大基地，可以很好地实现降本增效的目的。

(7)近海滩涂光伏。

现在这块用得也很多，如果要打桩，土建是最大的成本，柔性组件的1MW数量如果做得合理，在渔光上可以做到六七十根管桩，固定支架怎么也得小200根，可以大大节省建设成本。

(8)矿区治理。

我们做了一些实验发现，柔性支架对地基沉降的敏感度比较低，可能中柱地基沉降30公分，但索力变化只有2%-3%，对整体结构的稳定性影响不大。如果是刚性支架，中间出现基础沉降，一调，它就弯了。在这样的场景下，如果有废弃物区域做复合应用，实际是很好的。

在技术方面再啰唆一句，柔性支架未来核心的方向是技术优化和标准化。优化不多说了，主要是抗风系统、索锚系统的优化。更应该强调的是标准化，现在市面上的厂家太多了，多如牛毛，都是从其他技术方向跑过来干柔性支架的，觉得这个结构不就是几根索加上几根柱子一立就完事了吗?其实我们在很多项目上吃了很多亏。技术的标准化，对于荷载设计的要求，对于结构各方面的要求，都要进行标准化规范;其次，设计制造施工一体化。其三，运维检修。

最后点个题：光伏+生态。

光伏与生态现在的热度炒得很高，也是大家很关注的技术和产业方向。如果采用柔性支架，在某性地区，比如云南，装的排间距有6.5m的要求，包括对于离地高度，也是有要求的。但是从技术来说，柔性支架最适用于复合式光伏，因为净空高、跨度大。我们可以通过课题研究、示范研究反过来论证，如果要做的话，排间距设置多少合适?包括治沙，选择种植什么样的作物，更能够稳固沙丘?这些是站在光伏及综合利用角度最核心的(内容)，通过课题研究和示范应用，为国家相关部门制定政策，提供测算依据。

我的汇报就到这里，谢谢各位专家。