山地光伏电站用单立柱和双立柱光伏支架结构的受力对比分析

2021-11-03聂晓鹏

太阳能 2021年10期

聂晓鹏

(贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵阳 550006)

0 引言

光伏支架的作用是以一定的角度支撑光伏组件，从而使光伏组件能以最佳倾角发电[1]。因此，光伏支架的结构应具备安全性和稳定性，需能在25年的光伏电站运营期内承受住风荷载、雪荷载、地震作用等外荷载的影响。根据应用场景的不同，光伏支架结构通常可分为地面光伏支架结构、平屋面光伏支架结构、斜屋面光伏支架结构、立柱光伏支架结构[2]。其中，用于山地光伏电站的立柱光伏支架结构可分为单立柱光伏支架结构和双立柱光伏支架结构，示意图分别如图1和图2所示。图中：L为檩条；Z为立柱；角标为编号。本文以某山地光伏电站用立柱光伏支架结构为例，对同一工况下单立柱和双立柱光伏支架结构的钢用量、桩基础受力及檩条挠度情况进行了对比分析。

图1 单立柱光伏支架结构示意图Fig. 1 Structural diagram of single-pillar PV support

图2 双立柱光伏支架结构示意图Fig. 2 Structural diagram of dual-pillar PV support

1 光伏支架的结构形式

在立柱光伏支架的结构中，通常以光伏组件的排列方式来确定东西向立柱之间的间距，在控制檩条挠度的基础上，计算东西向立柱的最优跨距[3]。本研究中，设置单立柱光伏支架中相邻2个立柱的东西向间距为3200 mm，双立柱光伏支架中2个立柱的南北向间距为2000 mm、东西向间距为3200 mm，光伏组件的最低点离地高度为1500 mm，具体如图3、图4所示。

图3 单立柱光伏支架结构的截面图Fig. 3 Sectional view of single-pillar PV support structure

图4 双立柱光伏支架结构的截面图Fig. 4 Sectional view of dual-pillar PV support structure

由于光伏支架中受力构件的截面高度和截面厚度对支架结构强度、刚度的影响较大[4]，因此，可通过计算确定光伏支架中檩条、斜梁、斜撑(前、后支撑)和前、后立柱(竖向支撑)的截面尺寸。单立柱和双立柱光伏支架中主要受力构件的截面尺寸和材质情况分别如表1、表2所示。

结合表1、表2中的数据可知，单立柱光伏支架的钢用量比双立柱光伏支架的节省了1.3%。

表1 单立柱光伏支架主要受力构件的截面尺寸及材质情况Table 1 Sectional size and material of main stressed parts of single-pillar PV support

表2 双立柱光伏支架主要受力构件的截面尺寸及材质情况Table 2 Sectional size and material of main stressed parts of dual-pillar PV support

2 光伏支架的荷载组合

以贵州省某山地光伏电站为例，对其光伏支架所受荷载情况进行分析。该光伏电站的基本情况为：光伏组串中光伏组件的布置方式为竖向布置，布置形式为“2×14”；单块光伏组件的尺寸为1665 mm×1002 mm，重量为22.5 kg。

2.1 风荷载计算

由于安装在光伏支架上的光伏组件的受力面积较大，因此在光伏支架所承受的外荷载中，风荷载起控制作用[5]。在风荷载作用下，光伏组件坡面受力分为顺风情况下的压力和逆风情况下的吸力。顺风情况下，需要注意光伏支架构件的强度和变形；逆风情况下，光伏支架的基础需要满足抗倾覆要求[6]。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[7]中表E.5，该光伏电站所在地的基本风压w0为0.3 kPa。

风荷载标准值wk的计算式为：

式中：βz为高度z处的风振系数，取1.0；μz为高度z处的风压变化系数，取1.0；μs为风荷载体形系数，根据GB 50009—2012中表8.3.1 关于次结构的体形系数，处于迎风面时光伏组件坡面表现为压力，此时上端体形系数μs上为0.5，下端体形系数μs下为1.3；处于背风面时光伏组件坡面表现为吸力，此时上端体形系数μs上为-0.5，下端体形系数μs下为-1.3。

由于本光伏电站位于山区，根据GB 50009—2012中第8.2.2条的规定，还需对地形条件进行修正，修正系数η可表示为：

式中：tanα为山峰在迎风面一侧的坡度，根据施工现场的地势，取0.3；k为地形系数，取1.4；h为建筑物计算位置离建筑物地面的高度，取2.5 m；H为山坡全高，取20 m。

将相关数值代入式(2)，可得到η=1.4，则修正后的风荷载标准值wk′可表示为：

将相关数值代入式(3)，可得到风压力作用下光伏组件坡面上端承受的修正后的风荷载标准值w′k上为0.21 kPa；光伏组件坡面下端承受的修正后的风荷载标准值w′k下为0.55 kPa。风吸力作用下，光伏组件坡面上端承受的修正后的风荷载标准值w′k上为-0.21 kPa；光伏组件坡面下端承受的修正后的风荷载标准值w′k下为-0.55 kPa。

由于檩条与光伏组件采用螺栓连接，因此檩条与光伏组件接触处的受力形式为点荷载。光伏组件的长l为1.665 m、宽b为1.002 m，在风力作用下，檩条与光伏组件接触处的点荷载F可表示为：

根据式(4)可得，风压力作用下，檩条与光伏组件坡面上端、下端接触处的点荷载F上、F下分别为88 N和229 N；风吸力作用下，檩条与光伏组件坡面上端、下端接触处的点荷载F上、F下分别为-88 N和-229 N。

2.2 雪荷载计算

根据GB 50009—2012中附录E.5，可得到本光伏电站所在地的基本雪压s0为0.3 kN/m2，则光伏支架所受雪荷载的标准值sk可表示为：

式中：μr为屋面积雪分布系数，取1.0。

通过式(5)可得，sk=0.3 kN/m2。

2.3 其他荷载

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》[8]中的“对于地面用光伏组件的支架，当设防烈度小于8度时，可以不进行抗震验算”，本研究中的荷载未考虑地震作用产生的影响。

GB 50017—2017《钢结构设计规范》[9]中第8.1.5条对温度区段长度做了明确规定，即当露天结构纵向温度区段小于120 m时，可以不考虑温度应力和温度变形的影响。本研究中光伏支架的檩条和主梁长度均小于该值，因此可以不考虑温度对光伏支架结构的影响。

3 光伏支架的受力分析

将上述荷载按照GB 50797—2012中6.8.7条进行组合，采用SAP2000软件仿真分析不同工况下单立柱和双立柱光伏支架的基础受力及檩条挠度情况。

本光伏电站中光伏组件的最佳安装倾角为15°，因此在建模过程中将檩条绕自身截面纵轴旋转15°与光伏组件安装倾角相平行，使檩条的受力模型更为合理。光伏支架上施加的外荷载为点荷载，根据所采用的光伏组件布置方式，光伏支架所受外荷载主要是通过组件与檩条的连接点传递的，经斜梁传递给立柱，最终传递给光伏支架基础。

3.1 桩基础受力

该光伏电站的光伏支架基础采用桩基础，在相同工况下，提取了仿真模型中单立柱和双立柱光伏支架基础顶部所受的上拔力，具体如图5所示。

图5 单立柱和双立柱光伏支架桩基础顶部所受的上拔力的柱状图Fig. 5 Histogram of pull-up force on top of pile foundation of single-pillar and dual-pillar PV support

由图5可知，单立柱光伏支架基础顶部所受的最大上拔力约为双立柱光伏支架基础顶部所受的2倍。这对单立柱光伏支架基础及基础与支架连接处的材料提出了更高的强度要求。

3.2 檩条挠度

根据GB 50797—2012中第6.8.8条，计算得到檩条挠度的容许值为L/250=12.8 mm，其中L为檩条的跨度(即立柱的东西向间距)，取3200 mm。通过模拟软件计算了图1、图2所示的单立柱和双立柱光伏支架中每个跨度下檩条的挠度值，计算结果均在容许范围内，符合规范的要求。不同轴线上的檩条的挠度值如图6～图9所示。图中挠度值的负号代表下挠时的挠度值，正号代表上拱时的挠度值。