光伏电站支架系统的优化设计研究

2018-07-30朱德志胡春花王红林欧阳菲菲陈戎军

镇江高专学报 2018年3期

朱德志，胡春花，王红林，欧阳菲菲，陈戎军

(镇江高等专科学校电气与电竞学院，江苏镇江 212028)

国家通过各种补贴政策促进分布式光伏发电项目的发展，2013年国内装机量超过德国，成为全球第一，截至2017年，连续5年稳居全球首位[1]。分布式光伏发电站可以减少燃煤发电机组的建设，促进碧水蓝天的实现。目前常见的新能源有太阳能、风能、生物质能等，均为分布式电源(Distributed Energy Resource)[2]。近年来，光伏发电技术发展迅速。建设分布式光伏发电站时需要设计最佳光伏支架系统，使得光伏发电系统结构稳固的同时质量最小。笔者对江苏稳润光电有限公司1.3 MW光伏发电项目的光伏支架设计进行分析研究，设计合适的支架系统，使得光伏电站建筑载荷安全、造价合理、发电产出最高。

1 光伏支架的选择

光伏支架的设计原则是结构稳固、质量最小。查阅资料，镇江地区光伏支架系统的最佳倾角为30°，以此进行支架的抗风计算，合格的支架系统的砼支墩应不小于400 mm×400 mm×400 mm，砼支墩横向间距(支架的跨度)小于等于2 m。这样的支架系统恒载荷很大，会大幅减少建筑物的载荷安全余量，需要进一步优化，以提高建筑物的安全系数。

减少支架系统砼支墩质量的最好办法是缩小支架的倾角，这样，组件背面风力的倾覆力矩会变小。首先，笔者比较了江苏稳润光电有限公司厂房几种角度的排布率，发现15°倾角比最佳倾角30°的排布率增加25%。其次，使用PVSYST软件进行系统模拟计算，相比30°倾角，15°倾角的支架的发电效率仅降低了2%，如图1所示。再次，15°倾角对组件发电效率和组件雨水自洁影响不大。笔者初步确定按照15°倾角进行支架的设计、效验和计算。

图1 PVSYST软件分析15°倾角

砼屋面通常采用性价比高的钢结构支架，本项目初步选择质量最小的3横梁双排横排钢结构支架。钢结构支架设计的计算依据为《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)[3]和《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[4]。根据《实用建筑结构静力学计算手册》[5]32进行结构的优化设计。计算后初步确定前支墩为400 mm×400 mm×200 mm，后支墩为400 mm×400 mm×300 mm。钢结构支架的立柱和横梁采用41 mm×41 mm×2 mm的C型钢，厚度为2.0 mm。砼支墩的横向间距初步确定为2 m，支架的纵向间距为1.6 m，如图2所示。

图2 15°倾角的支架安装侧视图

2 光伏支架的抗倾覆计算

2.1 支架系统的恒载荷计算

1) C型钢约1.88 kg/m。每跨支架有3根长度为2 m的C型钢横梁，质量为11.28 kg；1根2.2 m的C型钢纵梁，质量为4.14 kg；总长为0.72 m的C型钢前后立柱，质量为1.36 kg。综合后，每跨支架C型钢钢结构的总质量为16.78 kg。

2) 每跨支架2个砼支墩，砼密度约为2 500 kg/m3，前支墩为0.4 m×0.4 m×0.2 m，质量为80 kg；后支墩为0.4 m×0.4 m×0.3 m，质量为120 kg。

3) 项目所采用的组件为1.65 m×0.99 m，组件单质量约19 kg，采用双排横排结构。每平方米的组件质量为11.63 kg。每跨长度为2 m，宽度为2 m，每跨组件的质量为46.52 kg。

4) 每跨光伏支架的总恒载荷

F跨恒载荷=16.78+200+46.52=263.30(kg)。

每跨支架的横向间距为2 m，纵向间距为1.6 m，砼支墩占地0.4 m×0.4 m，每平方米恒载荷

2.2 支架系统的风载荷计算

1) 风振系数βz选取。结合《光伏(PV)组件安全鉴定》(IEC 61730)[6]中对光伏组件能承受的风速要求，按照瞬时风速与10 min平均风速的换算关系可计算得到极大风载荷值[7]22，查阅镇江地区气象资料，可知50年一遇基本风压ω0为0.45 kN·m-2，根据《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)，βz取1.0。

2) 风载荷体型系数μs选取。按《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)表7.3.1第29项目，工程支架倾角为15°，则背风面μs1=-1.35，μs2=-0.55；迎风面μs3=1.35，μs4=0.55。

3) 风压高度系数μz选取。工程所在地地面粗糙度按B级考虑，涉及建筑物最大高度为20 m，按照《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)中表7.2.1，μz取1.25。

4) 每平方米背风面垂直于组件的风载荷(即风锨力)F1计算如下：