光伏组件及支架荷载分析与优化安装技术研究

摘 要：光伏发电技术是一种绿色可再生能源技术，基于太阳辐射量与光伏组件结构特征，构建光伏板斜面太阳辐射量计算模型，确定光伏组件最优安装倾角。利用CFD法对光伏组件受不同风向角作用时风荷载变化情况进行分析，表明风向角在90°～170°，光伏面板CPN值为负，此时光伏面板结构受风荷载影响将产生向上的抬动变化；对光伏支架来说，净风压系数CPN值越大，其所受的应力及变形也越大，以此提出统一可调式光伏支架零部件种类及数量、减少用钢量以及支架构件调节等措施，提高支架构件加工生产的效率，同时便于现场安装。

关键词：光伏组件；可调式支架；安装倾角；风荷载；结构优化

中图分类号：TU 39 " 文献标志码：A

光伏发电是使用新型半导体复合物质的光生伏特效应，直接把太阳光照射能转换为电力。它是一种无污染、无噪声、性能稳定、使用简单、寿命长且易于大规模制造的可再生能源技术[1]。对光伏电站而言，光伏组件与支架是制约光伏发电效率的重要因素，由于受风荷载影响，采光倾角受影响较大，导致发电效率降低，同时，支架失稳也容易使设备有损毁风险。本文对光伏组件结构荷载进行分析，从而提出可调式光伏支架的结构优化措施，可为光伏电站建设项目提供参考。

1 光伏组件结构荷载分析

1.1 光伏组件最优安装倾角分析

光伏组件结构所受荷载主要为风荷载，风速、风向以及光伏组件安装倾角是对风荷载产生较大影响的主要因素[2]。其中风速、风向为非受控因素，因此确定光伏组件的最优安装倾角，可为光伏组件结构的荷载分析奠定基础，光伏组件结构如图1所示。

决定光伏面板安装角度的关键要素之一就是太阳光照强度，根据太阳光照强度及光伏模块构造特性，建立评估光伏板太阳光照强度的计算模型。采用Klein等提出的基本理论及假设，光伏板表面的太阳光照强度由3个主要成分构成：来自太阳直射的光照强度、大气中光线折射产生的光照强度及地面对光线的反射造成的光照强度[3]，其计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：HT为当光伏面板的斜面受到太阳光照时，其承受的光能强度；HBT、HDT、HRT分别为直射光线、天际漫反射和地表折射回来的光能；Rb为斜面上的太阳辐射能量与平面的比值；Hb为光伏模块平面接收到的直射光强；Hd为平面上由天际产生的漫反射光强；α为光伏设备的安设角度；H为整个平面上所有太阳辐射的总量。

同时，根据三角函数关系，光伏组件的安装倾角与组件结构之间的关系如公式（2）所示。

b·sinα=h-（h1+h2） " " " " " " " " " " " "（2）

式中：b为光伏面板斜面宽度；h为支架总高度；h1为支架基础高度；h2为支架短肢高度。

联立公式（1）和公式（2），得出光伏模块按月计算太阳光照强度的模型，如公式（3）所示。

（3）

式中：j为月份。

通过调查敦煌市光电产业园10万千瓦光伏电站建设项目场地光照气象资源可知，项目建设地点位于甘肃省酒泉市敦煌市境内，当地4月—9月光照充裕，10月至次年3月光照一般。为了保证每月太阳辐射量达到最大，通过计算得到从4月至9月、10月至次年3月的平均最佳安装角度和组件斜面最大光照量，见表1。根据计算结果可以看出，在各自时间段内，光伏组件的最优安装角度分别为22°和58°。

1.2 不同风向角时光伏组件风荷载变化分析

当光伏组件受风荷载作用时，不同风向角对流场的变化影响较大。利用CFD法对光伏组件受到风向角为0°～180°时的表面压力进行计算。根据结果以风压系数为指标从而分析所受风荷载的变化情况。风压系数计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：Cp为无量纲的风压系数；P为光伏组件壁面压力；Ph为压力；ρ为空气密度；为平均风速。

根据光伏组件所受风荷载的实际情况，上壁面所受为正压，定义风压系数为正，下壁面所受为负压，定义风压系数为负，此时光伏组件所受的净风压系数的计算过程如公式（5）所示。

CPN=CPT-CPB " " " " " " " " " " " " （5）

式中：CPN为光伏组件所受的净风压系数；CPT为上壁面的风压系数；CPB为下壁面的风压系数。

将公式（4）代入公式（5），光伏组件的净风压系数表达式如公式（6）所示。

（6）

式中：PT、PB分别为光伏面板上壁面、下壁面所受压力；FN为光伏组件受到的净压力。不同风向角时光伏组件的净风压系数变化曲线如图2所示。

由图2可知，当风向角为0°～140°时，随着角度增加，光伏面板受风面积逐渐缩小，净风压系数CPN整体降低。其中，当风向角为90°时，净风压系数约为0。当风向角为90°～170°时，光伏面板的净风压系数为负值，说明光伏面板结构受到风荷载影响将产生向上的抬动变化。因此，对光伏支架结构受力分析及施工过程中的重点应当考虑风向角为90°～170°的工况。

1.3 光伏支架受力及变形分析

通过有限元数值模拟，采用MIDAS建立光伏支架有限元模型，对支架在不同风向角工况下的受力及变形情况进行分析，结构模型如图3所示。

通过有限元模型分析，支架应力及变形计算结果见表2。以风向角90°为例，光伏支架受力云图如图4所示。

由图4及表2可知，当风向角为90°和170°时，光伏支架应力相对较小，风向角为140°时应力最大，最大值为6.49MPa，但整体均处于较低水平。最大变形值为1.6mm，对应的风向角为140°。由此可以看出，当光伏支架所受净风压系数净风压系数越大，其所受的应力及变形也越大。

2 可调式支架结构优化及安装施工

2.1 可调式支架研究的必要性

光伏电站的选址通常在地广人稀的山地或平原，为了保证光伏阵列面与地形相协调，传统光伏支架立柱通常会对每榀支架进行独立设计。首先，根据现场浇筑的立柱基础，按编号逐一测定其顶面标高，其次，根据基础标高计算每榀支架立柱高度，最后，再由工厂按编号进行加工。光伏阵列通常都是大面积布置，因此光伏支架数量非常多，同时施工场地地形复杂，如果支架立柱高度每榀单独计算、设计、加工，就会增加施工周期以及工厂加工难度。

2.2 可调式支架结构优化

作为太阳能电池阵列支持结构的关键部分，光伏支架的性能通常会影响光伏系统的安全运行效率和建设成本[4]。预期的可调式光伏支架单元，需要其结构形式简单，调节方式便于实现，调整支架的动力装置可重复使用、循环作业。能适应当地的自然环境和地理条件，由于建设场地为沙丘地貌，因此支架需要有防风沙措施，保证不因风沙影响而出现调节问题。

零部件种类及数量：可调式光伏支架零部件（立柱、檩条、斜梁、斜撑、压块、连接件等）的数量和种类将会对其生产、安装效率及施工成本产生重要影响。因此，支架除应当选用标准连接构件外，其他零部件应尽量统一规格。通过优化零部件，不仅便于工厂生产加工，提高加工效率，还可以节省现场安装时间，提高安装效率。

减少用钢量：在支架结构设计阶段，通过优化节段的长度，充分发挥构件调节性能，使利用率最大化，从而在保障支架结构的安全及保证可调性的情况下，减少支架用钢量，益于施工成本控制[5]。

2.3 可调式支架安装

可调式光伏支架表面应平整，固定太阳能板的支架面必须在同一平面，各组件并成一直线，倾角必须符合设计要求，必须拧紧构件连接螺栓。

安装工艺流程：清理基础面和清理预埋件→测量基础面标高→支架开箱开包检查→安装立柱→立柱调整校正→安装主梁→安装横梁→支架调平→组件开箱检查→安装组件→拉条安装→检查所有螺栓的拧紧度，并作标记。

复测预埋件无误后，通过预埋定位螺栓固定立柱，连接时，用尼龙线拉通线进行找齐调平，并用铅锤调整立柱的垂直度。支架立柱安装无误后，安装主梁及横梁。推杆安装工序较为关键，应根据设计图纸调整横梁的倾角，横梁倾角必须与设计一致，检查倾角无误后紧固螺栓。

3 结论

本文对光伏组件结构荷载进行分析，提出了可调式光伏支架的结构优化措施，研究结果如下。1）基于太阳辐射量与光伏组件结构特征，构建光伏面板斜面太阳辐射量计算模型，根据模型计算在4月至9月，光伏组件最优安装倾角为22°；10月至次年3月，最优安装倾角为58°。2）当风向角为90°时，光伏组件CPN值约为0；当风向角在90°～170°时，其CPN值为负值，此时光伏面板结构受到风荷载影响将向上抬动。对光伏支架而言，净风压系数CPN值越大，其所受的应力及变形也越大。3）通过统一可调式光伏支架零部件种类及数量、减少用钢量以及支架构件调节等措施，实现工厂高效率加工生产，便于现场安装，也益于施工成本控制。

参考文献

[1]上官小英，常海青，梅华强.太阳能发电技术及其发展趋势和展望[J].能源与节能，2019（3）：60-63.

[2]杨光，左得奇，侯克让，等.中小跨度预应力柔性光伏支架风振响应分析及风振系数取值研究[J].电力勘测设计，2023（5）：28-33，43.

[3]刘政，王兵振，何改云，等.极区集成式光伏供电装置结构设计与分析[J].工程设计学报，2022，29（4）：493-499.

[4]李天澍. 园区级多种可再生能源互补的分布式能源系统集成和性能研究[D].兰州：兰州理工大学，2023.

[5]任龙.山地光伏电站关键设计技术研究[J].科技视界，2022（21）：53-55.