论光伏支架结构方案设计与选型

陈鹏

【摘要】光伏支架结构设计是光伏发电场设计的重要组成部分，而其设计原则目前国内缺乏相应的规范依据。以现行其他规范为指导，参考国外其他规范的要求，建立了光伏支架结构计算的理论方法，并开发了相关的优化设计程序。通过数值模拟验证，该程序准确度较好且偏于安全。采用上述优化设计程序，对光伏组件的排布方式进行了经济性分析，并推荐了最优方案。

【关键词】光伏支架；结构方案；优化设计

目前，在全球能源供应紧张和环境问题日益严重的情况下，经济和社会的可持续发展受到了巨大挑战，发展和利用清洁而安全的可再生能源受到了广泛重视。虽然目前已经实现利用的可再生替代能源种类较多，但从可用总量上看，水能、风能、潮汐能都太小，不足以满足人类需求。太阳能作为一种资源丰富，分布广泛且可永久利用的可再生能源，具有极大的开发利用潜力。特别是进入21世纪，太阳能光伏发电产业发展非常迅速。太阳能光伏发电在不远的将来不仅要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体，将给能源发展带来革命性的变化。根据欧洲联合委员会研究中心（JRC）的预测，到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，其中太阳能发电占到60%以上，充分显示出其重要的战略地位。

太阳能光伏组件支架是固定太阳能电池板的重要部件，在获得太阳能电池板最大发电效率的前提下，保证支架的安全可靠性是光伏组件厂家需要考虑和研究。根据不同形式的太阳能光伏发电的需要，支架系统一般分为单立柱太阳能支架、双立柱太阳能支架、矩阵太阳能支架、屋顶太阳能支架、墙体太阳能支架、追踪系统系列支架等若干规格型号，同时按照不同的安装方式又分为地面安装系统、屋顶安装系统和建筑节能一体化支架安装系统。

1.荷载取值

1.1风荷载

为使光伏组件能接受最大的光照辐射，它通常被设计为与水平面成一定倾角，不可避免地承受风荷载作用。同因为光伏组件及其支架系统还具有受风面积大、自重轻等特点，使风荷载成为了光伏系统承受的主要荷载。无论是顺风时对支架结构强度和变形的要求，还是逆风时对基础抗倾覆的要求，都是光伏支架设计时起控制作用的条件。因此，合理的风荷载取值是光伏支架设计的重要内容。

由于光伏发电站的设计使用寿命通常为25年，因此可取重现期为25年的风荷载值作为基本风压进行计算。考虑到国内缺乏指导光伏支架设计的规范，为保证支架结构的安全性，参考国外类似规范以指导设计。文中采用25年一遇的风荷载基本组合对光伏支架进行结构设计，同时采用42m/s瞬时风速对应的极大风荷载组合进行校核。

1.2荷载组合

光伏支架承受的主要活荷载包括风荷载、雪荷载和施工检修荷载。考虑到光伏支架为紧贴地面且重量较轻的柔性结构，地震荷载的影响较小，因此通常采用不考虑地震作用效应组合。

2.理论计算

典型的光伏支架，由次梁（U型导轨）、主梁、立柱和支撑组成。其中次梁和主梁为受弯构件，立柱和支撑则一般为受压构件。主梁的受力状态也可通过静力学方法计算得到。与普通钢结构的受弯构件类似，主梁和次梁的挠度也不宜超过一定的容许值。类比普通钢结构中重要性相近的受弯构件，主梁和次梁的挠度容许值可分别取为L/250和L/200。前后立柱和支撑主要承受轴向拉力或压力。考虑到光伏支架的荷载本身较小，而钢结构的轴向承载能力普遍较高。因此这些构件的选用通常不由强度要求控制。

3.数值模拟

3.1模型概况

为验证上述程序的正确性，采用通用钢结构计算软件SAP2000建立了三维的光伏支架数值模型，模型中次梁和主梁均采用C型钢，截面尺寸分别为C40×60×10×2.5和C60×40×20×2.5。由于两截面的背部均开孔，因此构件截面扣除了孔洞的影响，由于实际情况中，光伏板安装在檩条上。光伏板上的风荷载和雪荷载的传力路径应为：板-檩条-主梁。为保证模型的传力路径一致，模型中没有建立光伏板的模型。而视光伏板为单向板，将相应的荷载分配到檩条上。

3.2模拟结果

通过计算得到了光伏支架在各种荷载组合下的受力状态。通过对理论计算值与数值模拟值的比较可知：两者的偏差较小，均在5%以内。且理论计算值均大于数值模拟值。因此，理论计算结果具有较好的准确度且偏于安全，可用于指导光伏支架的工程设计。

4.经济性分析

地面光伏发电站常见的光伏组件排列方式有两种，即竖向双层光伏组件排列和横向四层光伏组件排列。以尺寸为1956mm×992mm，容量为275Wp的光伏组件为例，在相同的长度范围内，两者能安装的组件块数相近。前者需要的构件根数较多、但构件截面面积较小，后者的构件根数较少且不需要柱间支撑，但同时截面面积较大。以2.8m跨度为例，由于两者前后立柱的钢材规格一致，故表中仅比较了主、次梁及支撑的材料用量相同条件下竖向双层排列方式主、次梁及支撑的用钢量比横向四层排列方式的用钢量少7.8%。因此在不考虑其他影响因素的条件下，前者较后者具有更好的经济性，可作为地面光伏发电场的推荐排布方式。

5.应用前景

当前国际能源形势相对严峻，各国都在极力寻找可以代替常规化石能源的新能源。此外核能发电的安全性让人质疑，风能水能受地域和季节影响较大，然而太阳能作为取之不尽，用之不绝的清洁能源备受关注和加以利用。随着全球大型地面、屋顶太阳能光伏系统的广泛推广与应用，太阳能光伏发电在电力供应中成为必不可少的发电源泉之一，同时为了保证光伏组件系统的可靠、安全、稳定的运行，必须要求太阳能组件的各个部件具有良好的抗风、抗雪压、耐腐蚀等性能。本文设计的太阳能光伏组件支架安装不仅满足抗风、抗雪压、耐腐蚀等性能，而且完全可以适合于地面矩阵太阳能、屋顶太阳能系統。此太阳能光伏组件支架在未来的光伏发电应用中具有良好的应用前景。

本文根据常规太阳能光伏组件支架的缺点，结合太阳能发电特点，设计了一款新型的太阳能光伏组件支架。光伏组件支的独特设计结构使该组件具有可以根据不同地域而角度可调，从而能够充分利用当地的太阳能资源，达到最大的太阳能组件的发电效率。同时对该光伏组件的连接方式、材质选型以及支架载荷受力分析加以详细的分析与实践，使其具有良好的抗震、抗风、抗雪压、耐腐蚀等物理性能，使光伏组件应用于更加广泛的地域。

6.结束语

本文以现行其他规范为指导，参考国外其他规范的要求，建立了光伏支架结构计算的理论方法，得到了以下结论：

1）合理的风荷载取值是光伏支架设计的重要内容，可采用25年一遇的风荷载基本组合对光伏支架进行结构设计，同时采用42m/s的瞬时风速对应的极大风荷载组合进行校核。

2）基于静力计算理论开发的优化设计程序经数值模拟验证，具有较好的准确度且偏于安全，可用于指导光伏支架的工程设计。

3）经济性分析结果表明，竖向双层光伏组件排列方式的经济性优于横向四层光伏组件排列方式。前者可作为地面光伏发电场的推荐排布方式。

参考文献：

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