提高钢材强度对降低光伏支架用钢量及费用的分析

摘要：针对东南亚某国集中式光伏发电项目光伏支架用钢量进行优化设计。通过提高钢材等级，进行结构建模计算分析，对用钢量及费用进行对比分析。分析结果显示，提高钢材等级对光伏支架减少用钢量和费用是可行的。该项目采用高等级钢材替代低等级钢材，最终显著降低用钢量及工程费用。

关键词：光伏支架;钢材等级;用钢量

Abstract：Aim at reducing steel consumption of a PV power project’s PV support structural steel in Southeast Asia. Through improvement of strength class，combine with structural modeling analysis，to comparatively analyze steel consumption and cost. Based on analysis results，it is feasible to reduce steel consumption and cost by improving the steel strength class of PV support. The project used higher strength class steel to replace the lower，finally the steel consumption and cost are significantly reduced.

Keywords：PV support;Steel strength class;Steel consumption

引言

世界各国对能源发展不断探索，光伏发电已成为最主流新型能源之一。习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表讲话，提出中国将提高国家自主贡献力度，力争于2030年前达到碳排放峰值，并努力争取 2060年前实现碳中和。中国的光伏发电也在该政策的引领下蓬勃发展，各项政策也让光伏行业从补贴时代进入竞争更加激烈的平价上网时代。本文基于东南亚某光伏项目固定支架，采用高强钢与普通钢进行设计对比，重点分析其用钢量及费用的差异。

1 工程设计概况

东南亚某国新建集中式地面光伏电站，场地内地势平坦，抗震设防烈度：6度，设计基本加速度：0.05g，第二组，建筑场地类别为Ⅱ类。50年一遇3s阵风10m处风速为31.3m/s，无雪荷载。项目总共分为三个子项目，装机容量分别为两个40MWp及一个30MWp，合计110MWp。光伏组件采用国产单晶硅445Wp组件，组件尺寸长宽高分别为2094mm×1038mm×35mm，自重荷载23.5kg。每个阵列单元由58块组件组成，单个阵列单元长宽尺寸为30.662m×4.208m。光伏支架均采用固定支架的形式，其中两个40MWp项目倾斜角度为16°，剩余一个30 MWp项目倾斜角度为11°。纵向支架立柱间距3.0m和3.3m，组件最低点离地高度0.8m，一个阵列单元共9跨，10个立柱，支架钢材均采用冷弯薄壁型钢。支架阵列单元平面布置如图1-1所示，支架侧视图如图1-2。支架基础采用微孔灌注桩，单柱单桩形式，桩顶高出地面0.3m。

2 支架设计

在项目设计初期，光伏支架主要构件材料采用Q355B冷弯薄壁型钢。用钢量虽已尽量优化，但由于项目地处海外，材料为国内采购，运输、关税等费用仍然较高。为继续优化设计，在保证质量的前提下优化工程量，降低工程费用，参考其他学者优化设计方法[1][2]，结构设计人员决定对主要构件采用Q420B钢替代Q355B钢。其余零星构件用钢量占比较小，并且多数为标准构件，采用Q235B钢材，本文不予论述。

2.1 Q355B钢材设计分析

本文设计过程均遵循相关国家及行业规范[3-8]。Q355B钢材的设计主要性能如下：抗拉/压/弯强度：f=310N/mm2;抗剪强度：fv=180 N/mm2;端面承压强度：fce=400N/mm2。

結构设计软件采用目前国际认可度较高的有限元分析软件SAP2000。柱脚与基础连接形式采用固定连接，立柱与斜梁、支撑与立柱均设置为铰接。本工程光伏支架计算模型如图2-1所示。

根据有限元分析设计结果，采用Q355B冷弯薄壁型钢设计的单个阵列单元光伏支架主要构件截面尺寸及用钢量如表2-1、2-2所示。

根据统计，11°倾角单个阵列单元主要构件用钢量为527.71kg，钢材牌号为Q345B。换算到每MWp装机容量用钢量为20.45t（仅为主要构件用钢量，包含立柱、斜梁、檩条及支撑，未包含零星构件，下同）。16°倾角单个阵列单元主要构件用钢量为580.83kg，钢材牌号为Q345B。换算到每MWp装机容量用钢量为22.50t。

2.2 Q420B钢材设计分析

Q420B钢材的设计主要性能如下：抗拉/压/弯强度：f=375N/mm2;抗剪强度：fv=215 N/mm2;端面承压强度：fce=440N/mm2。

根据有限元分析设计结果，采用Q420B冷弯薄壁型钢设计的单个阵列单元光伏支架主要构件截面尺寸及用钢量如表2-3、2-4所示。

根据统计，11°倾角单个阵列单元主要构件用钢量为470.79kg，钢材牌号为Q420B。换算到每MWp装机容量用钢量为18.24t。16°倾角单个阵列单元主要构件用钢量为520.60kg，钢材牌号为Q420B。换算到每MWp装机容量用钢量为20.17t。

2.4 用钢量对比分析

根据前两节计算结果对比，当钢材型号从Q345B改为Q420B之后，11°倾角单个阵列单元主要构件用钢量为从527.71kg 下降到470.79kg，每MWp装机容量用钢量为从20.45t 下降到18.24t。该项目采用11°倾角的装机容量为30MWp，合计减少用钢量为66.3t。

16°倾角单个阵列单元主要构件用钢量为从580.83kg 下降到520.60kg，每MWp装机容量用钢量为从22.50t 下降到20.17t。该项目采用16°倾角的装机容量为80MWp，合计减少用钢量为186.4t。

3 经济性分析

在采用Q345B设计时，该项目三个子项光伏支架主要构件的合计用钢量为2413.5t，改为Q420B之后，用钢量为2160.8t，用钢量总共下降了252.7t。由于项目地处海外，但光伏支架采用国内采购的模式，因此运输费也较为高昂。根据测算，虽然每吨Q420B的出厂价比Q345B高出约300元，但减少的用钢量及运输费用合计为158万元。

4 结论及建议

本文对东南亚某个光伏项目的光伏支架结构进行了用钢量优化分析，得到了以下结果及建议：

（1）光伏支架设计在提升钢材型号时能显著降低用钢量，从Q345B提升到Q420B时，用钢量降低幅度约为10%。

（2）由于目前国际光伏项目的支架采购多数采用国内厂家，运输距离较远，因此用钢量减少对节省运输费用能起到明显作用。

（3）本工程设计所采用的风荷载较小，无雪荷载，而这两种荷载对光伏支架用钢量的影响都较为明显，因此本文的结论可以作为类似外部条件工程项目前期阶段的工程量分析或投标报价的参考和借鉴。

（4）下阶段工作，将对于外部条件不同的光伏工程进行分析对比，以了解提高钢材牌号是否能够在更多条件下显著降低工程费用，降低比例是否还能进一步提高。

参考文献

[1]徐东，张洪信，高雷，等. 青岛市太阳能光伏电站及其支架设计[J]. 青岛大学学报（工程技术版），2016，31（2）：59-64.

[2]唐俊福，林建平，霍静思，等. 柔性光伏支架结构特性分析及其优化设计[J]. 华侨大学学报（自然学科版），2019，40（3）：331-337.

[3]光伏支架結构设计规程：NB/T 10115-2018[S]. 北京：中国计划出版社，2018.

[4]太阳能光伏系统支架通用技术要求：JG/T 490-2016[S].北京：中国标准出版社，2016.

[5]光伏发电站设计规范：GB50797-2012[S]. 北京：中国计划出版社，2012.

[6]建筑结构荷载规范：GB 50009-2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[7]钢结构设计标准：GB 50017-2017[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2017.

[8]冷弯薄壁型钢结构技术规范：GB50018-2002[S]. 北京：中国计划出版社，2002.

作者简介：甘子牛，1991.7，男，汉族，成都，工程师，硕士研究生，中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，结构设计及项目管理。