装配式铝合金光伏支架

王迎春,徐 翔

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

2020年9月22日，在第75届联合国大会期间，国家提出将加快形成绿色发展方式和生活方式，力争二氧化碳排放在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。与此同时，中国光伏行业傲立于世界之巅，创造了光伏制造业、发电装机量、发电量“三项世界第一”。“十四五”至2050年，风电、光伏等非化石能源将加速从补充能源转向替代能源，光伏行业将面临更多发展机遇[1]。

光伏电站太阳能组件边框多采用铝合金制作，而组件支架大多采用热浸锌结构钢制作。钢材热浸锌不利于环保，且支架加工倒运周期长。6系表面阳极氧化铝合金的强度与价格适中，易于热挤压成形，抗蚀与耐候性强，可回收利用率高，外观美观，轻质便于施工，工业化程度高[2]，满足“以铝代钢”的技术条件。

由于目前铝合金支架成本较高，制约了其市场推广。本文从光伏铝合金支架选型、截面优化等方面进行研究，以降本增效为目的，使光伏铝合金支架具备市场竞争力。

1 铝合金材料

桥梁和建筑行业常用铝合金大致有5种，合金牌号分别为6063、6005、6061、6082和6013，采用热处理可强化T6状态，各牌号铝合金强度依次增加，但焊接会降低其强度[3]。

根据GB/T 6892-2015《一般工业用铝及铝合金挤压型材》和GB 50429-2007《铝合金结构设计规范》给出的铝合金材料的室温力学性能[4-6]，建筑铝合金材料力学性能指标见表1(适用于壁厚不大于5 mm的空心型材)。其中6061-T6和6082-T6的力学性能接近Q235钢。

表1 建筑铝合金材料力学性能指标表

铝合金材料的物理性能指标见表2。铝合金密度和弹性模量约是钢的1/3。

表2 铝合金物理性能指标表

应根据支架安装的使用条件和地理环境条件，确定铝合金光伏支架的氧化膜厚度，一般不低于AA15的氧化膜。对沿海潮湿及大气污染条件较恶劣的地区，一般选用AA20或AA25的氧化膜。

2 支架型式

本文光伏组件支架采用中心支撑结构型式，外形如图1(a)，该方案构件形成平面桁架结构，侧向刚度大；立柱杆件节点均为铰接，为轴心受力杆件；斜梁为压弯构件。

当外形尺寸2094 mm×1038 mm(长×宽)光伏组件按2行竖向排布时，通过力学分析，建议支架斜梁悬挑长度控制在节点间距的0.1倍左右。当组件4行横向排布时，斜梁悬挑长度控制在节点间距的0.25倍左右。此时斜梁挠曲均匀，弯矩正负值接近，结构经济性较优[7]。结构变形图分别见图1(b)、1(c)。

图1 支架型式图

3 构件截面

同等材料条件下，在提高抗弯刚度方面，将材料尽可能布置于远端，性能最好，提高截面高度比，增加宽度，节约材料效果更好。从强度计算角度，铝合金弹性模量小，局部稳定问题突出，充分利用薄壁板组屈曲后强度，可得到经济材料用量。

板件的屈曲后强度利用分为受剪屈曲后和受压屈曲后。受剪利用拉力带的概念，形成桁架受力机理，拉力带倾角与加劲和翼缘面外刚度有关。受压时屈曲部分逐步退出工作，承担应力减小，按照应力等效原则，将该部分应力等效形成有效截面概念计算承载力。

本文提出图2的系列截面型式，兼顾了截面经济化要求和装配便利性，同时闭口截面具有很高的抗扭能力。

图2 支架构件截面型式图

GB/T 5237-2017《铝合金结构设计规范》[4]给出了受压局部屈曲板件屈曲后强度计算方法，设计时选用的构件截面按有效截面法进行强度及稳定性校核。

4 装配连接

组件与檩条可参图3(a)所示装配，当组件竖排时，边框与檩条可直接螺栓连接；组件横排时，利用图示“π”型联接件进行连接。檩条与斜梁通过角型联接件螺栓固定，如图3(b)；立柱与斜梁通过 “H”型联接件螺栓固定，如图3(c)；柱脚采用“π”型联接件与基础固定，如图3(d)。

图3 支架装配节点图

铝合金光伏支架的连紧固件应尽量采用不锈钢螺栓进行紧固，也可采用经热浸锌、电镀锌、镀铝或达克罗等表面处理后的钢制螺栓。

5 节点分析

利用商业有限元ANSYS软件对檩条安装节点进行模拟分析，保证构件不发生局部破坏。计算模型采用静态分析算法，使用实体单元。由于模型中存在大量的接触对，在模型计算过程中极易出现计算不收敛的情况，本文对模型中部件间的相互作用进行了简化，并对接触属性做了适当调整。

5.1 参数及边界条件

(1)材料本构关系使用Ramberg-Osgood模型，对热处理合金，参数n取5，α取0.7，曲线接近双折线。

(2)模型如图5(a)、图6(a)所示。对连接螺栓施加固定约束，在檩条或斜梁端部施加竖向位移模拟风吸力作用下节点处的拉力作用，以得到节点的极限承载力。

5.2 模拟结果

从图4(a)可见，当外力增加到约14 kN时，螺栓与檩条接触处局部挤压位置进入塑性变形状态，节点破坏。图4(b)可见，当外力约为10 kN时，螺栓与斜梁接触处局部压力出现反弯点，截面出现畸变，板组拉力场参与受力。常规外荷载条件下，光伏支架节点荷载均小于上述数值。

图4 檩条与斜梁连接处力和位移曲线图

在约14 kN外力作用下，从图5(b)位移云图可见螺栓连接部位由于挤压板件有轻微压屈，图5(c)显示除应力集中处其它部位板件处于弹性应力状态。节点整体的力与变形关系表现为弹性状态。

图5 檩条与斜梁连接部位檩条应力及变形云图 单位：位移，mm;应力，MPa

在约10 kN外力作用下，从图6(b)位移云图可见螺栓连接部位存在轻微变形，图6(c)显示除应力集中处其它板件处于弹性应力状态。节点整体的力与变形关系表现为弹性状态。

图6 檩条与斜梁连接部位斜梁应力及变形云图 单位：位移，mm;应力，MPa

6 经济性

依据本文思路研发了系列铝合金支架，并与镀锌钢支架进行了经济性比较。在基本风压0.5 kN/m2，基本雪压0.25 kN/m2时，不同支架倾角对应的铝和钢支架重量比，以及乘以铝钢价格比后的支架价格比如表3。2种支架价格基本持平，铝合金支架具有参与市场竞争的能力，有助于推动光伏行业绿色健康发展。当铝钢价格比低于3.0时，铝合金支架的价格将具有优势。

表3 光伏支架经济性对比表

7 结 语

本文基于常用建筑铝型材，对固定式铝合金光伏支架的结构形式、构件截面、装配方式和节点强度进行了分析和研究，形成了自有的铝型材截面库，研发了不同风压和雪压条件下的铝合金光伏支架体系，其经济性与目前主流镀锌钢支架基本持平，突破了限制其推广的价格瓶颈。鉴于铝合金支架全面的比较优势，将有助于其推广应用，促进光伏发电行业更加绿色、高效发展。