高强钢在光伏支架上的应用

孟志杰，田兴海

（中国水利水电第十四工程局有限公司机电安装事业部，云南 昆明 650032）

0 引言

为了力争在2030年前实现碳达峰，加快推动能源绿色低碳转型，根据《“十四五”现代能源体系规划》，“十四五”期间预计光伏年均新增装机在70 GW以上，光伏支架年均用钢量在240万t以上。目前光伏支架行业，钢材屈服强度主要在355 MPa以下，用钢量居高不下，而高强钢在光伏支架上的应用案例较少。

高强钢是指屈服强度不低于460 MPa的钢材，目前已经在建筑、航天、汽车等行业推广应用，高强钢材可以降低材料消耗，是节能环保绿色钢材。

1 光伏支架概述

光伏支架是光伏系统中支承各种光伏组件的结构，包括横向抗侧力体系和纵向抗侧力体系，支架材料一般使用碳钢和铝合金，使用设计年限25年。

2 光伏支架结构形式

光伏支架的结构体系一般采用单列柱结构体系、双列柱结构体系和独立柱结构体系等；其中单列柱结构体系、双列柱结构体系为常见结构体系，独立柱结构体系主要用于跟踪支架。

单列柱支架结构主要由斜梁、檩条、前支撑、后支撑、立柱、单桩基础等关键构件组成。单列柱光伏支撑结构采用2个斜支撑支起斜梁，由斜撑托起光伏组件，钢斜撑与单柱之间连接通过抱箍实现，具有简洁、高效的特点。

双列柱支架结构主要由斜梁、檩条、前立柱、后立柱、斜支撑和双柱基础等关键构件组成。双列柱光伏支撑结构由前、后2个支柱以及斜支撑支起斜梁、檩条，由檩条托起光伏电池板。前、后 2个支柱与基础之间的连接通过焊接、预埋螺栓、预埋钢管连接来实现。

双列柱支架结构施工周期要比单列柱支架结构长，且空间占用相对多，地形适应能力弱，而单列柱支架结构地形适应能力强，山区光伏方阵多采用单列柱支架形式。

表1 单列桩支架与双列桩支架对比

3 光伏支架材料介绍

目前市场上光伏支架主要是热浸锌钢支架为主，铝合金支架、热镀锌铝镁钢支架、耐候钢支架等材料使用占比较小。

热浸锌光伏支架，是由普通钢材冷弯加工成型后，再交由热浸锌厂酸洗、热浸锌处理而成的支架，加工效率高，但镀层易出现缺陷，交货周期长，环境污染大。

热镀锌铝镁光伏支架，是由热镀锌铝镁钢材加工而成的支架，其镀层添加了铝、镁或其他微量元素（Si、Ni等），相比热浸锌镀层具有5倍以上的耐腐蚀性，而且切断面具有自愈形成保护膜。热镀锌铝镁钢支架的镀层在钢厂内完成，质量稳定，光伏支架厂只负责冷弯加工成型，交货周期短。

耐候钢光伏支架，是由耐候钢加工而成的支架，耐候钢是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢，通过在钢中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，使钢铁材料表面在大气环境下生成一层致密、具有保护性的保护层，阻止大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，从而提高耐大气腐蚀能力。耐候钢支架一般是热轧钢材，具有优异的加工性能、焊接性能，在工厂一次冷弯加工成型，交货周期短，绿色低碳环保。

铝合金光伏支架，是由铝合金材料挤压加工而成的支架，表面一般做阳极氧化处理，质量轻、外表美观、防腐蚀性能极高，但造价高，一般用于对承重有要求的家庭屋顶电站、强腐蚀环境。

4 光伏支架设计分析

4.1 设计基本参数

（1）项目地点：云南某地，纬度26°。

（2）设计使用年限为25年；结构安全等级为三级，结构重要性系数0.95。

（3）自然条件

基本风压：Wo=0.31 kN/m2（25年一遇，地面粗糙度为B类）

基本雪压：So=0.31 kN/m2（25年一遇，积雪分布系数0.97）

（4）环境温度：－11℃～＋37℃

（5）抗震设防

抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20 g，设计地震分组为第三组，设计特征周期为0.45 s。

（6） 电池组件规格：2 256 mm×1 133 mm×35 mm，540 Wp

（7）电池组件重量：32.3 kg

（8）光伏支架倾角：26°

（9）电池组件排列方式：2×14

（10）光伏支架结构形式：单列柱光伏支架结构形式，主要由立柱、斜梁、前支撑、后支撑、檩条、拉条等构件组成，结构构件截面为冷弯薄壁型钢。光伏支架结构构件之间采用螺栓连接，光伏组件与檩条采用螺栓连接。

图1 太阳能电池组串排列图

图2 光伏支架结构示意图

4.2 光伏支架设计计算

光伏支架结构设计软件采用同济大学3D3S钢结构设计软件，3D3S钢结构设计软件内置国标规范，可以建模、受力计算分析，操作简单方便。

（1）荷载组合（表2）

表2 荷载组合

（2）材料强度（表3）

表3 钢材的强度设计值

（3）控制指标（表4、表5）

表4 受压和受拉构件的长细比限值

表5 受弯构件的挠度容许值

风荷载取标准值或地震作用下，支架的柱顶位移不大于柱高的1/60。

（4）计算简图（图3～图8）

图3 计算简图

图4 竖向剪力图

图5 竖向弯矩图

图6 水平剪力图

图7 水平弯矩图

图8 轴力图

4.3 计算分析结果

设计案例中的光伏支架结构构件以C型钢截面设计，随着光伏支架材料强度提高，相同截面尺寸构件壁厚减小，或者构件截面尺寸减小。当Q235材料变成Q550材料时，光伏支架整体减轻了30.18%，当Q235材料变成Q690材料时，光伏支架整体减轻了34.33%；而当Q550材料变成Q690材料时，光伏支架整体只减轻了5.94%。具体设计参数见表6。

表6 不同材料强度光伏支架构件参数

5 结论

通过上述分析可知，高强钢可以使光伏支架结构减轻30%以上，达到节约材料的目的；同时结构构件减轻后，劳动强度降低，施工更便捷，在未来的光伏支架市场上具有积极的推广意义。