固定式光伏支架设计

摘要：太阳能光伏组件发电与日照强度、日照时间以及电池板摆放位置和倾角有直接关系，针对天祝县地理位置以及气候条件，设计了一种适合天祝县实际情况的光伏系统支架。本文对该光伏组件支架材质，选型，负荷分析进行详细的分析和阐述，支架的结构牢固可靠，能承受自重，风荷载和其他外部效应。安全可靠的安装，以最小的安装成本达到最大的使用效果。

关键词：太阳能发电 组件支架 支架设计 负荷分析

1 天祝县地理位置及气候条件

天祝藏族自治县简称天祝县，它地处甘肃省中部，是武威市的一个下辖县，它是新中国成立后第一个实行民族自治政策的地区。天祝县位于东经102°07′-103°46′，北纬36°31′-37°55′之间。其南北总长度为158.4公里，东西宽达142.6公里，总面积为7149平方公里，占甘肃总面积的1.54%。天祝县境内主要有两种气候类型，以乌鞘岭为分界线，乌鞘岭以南为大陆性高原季风气候，岭北为温带大陆性半干旱气候。平均气温为-8°-4℃。天祝县内气候复杂多变，常会发生洪涝、干旱、暴风雪等自然灾害。境内出现12级以上台风概率不大，一般最高风速不超过10级，风力破坏度不大，冬季常出现雨雪天气，地面积雪深度不超过20cm，出现破坏性地震概率相对很小。

2 支架材料选用及处理

目前支架材料用到的主要是普通钢材、不锈钢及铝合金。本方案选用最容易获得的角钢（L50×50×t6）。露天使用，钢材容易锈蚀，最终致使支架结构失效，故本方案采取支架打磨处理以后喷漆防腐。

3 光伏组件的倾角

光伏组件放置的角度和形式直接影响着光伏系统的太阳辐射情况。因此，在进行光伏发电系统设计时，设计人员必须调整好组件的放置形式和角度，以有效地提高光伏发电系统的发电能力，以满足更多牧民的用电需要。在放置光伏组件时，要注意太阳电池组件的倾角和方位角，使其更充分地接受太阳光。在选择倾角时要遵循连续性、极大性和均匀性。技术人员通常采用近似法来确定光伏组件的倾角。一般情况下，北方地区的倾角高出当地维度5°-10°，南方地区的倾角高出当地纬度10°-15°。将天祝县维度取平均值约为38°，因此其太阳电池的方阵倾角Q=38°+10°=48°。

4 支架强度计算

根据天祝县实际气候条件本套光伏发电系统中支架强度计算只考虑固定荷重G，暴风雨的风压荷重W和积雪荷重S的短期复合荷重。天祝县最大风速不超过12级（32.6m/s），本系统设计风速为40m/s，积雪厚度不超过20cm，取积雪深度为20cm。由于光伏发电系统有一定的倾角对20cm的积雪有自行滑落的能力，所以本处不考虑积雪所产生的荷重。支架设计简图如图1所示。

4.1 总荷重计算

①固定荷重G

组件质量Gm=20.1kg=197N

角钢框架自重Gk=4.43kg/m×1.665m×2

=14.8kg=144.6N

固定荷重G=197+144.6=341.6（N）

②风压荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J

式中Cw为风力系数，通过查阅资料可知顺风时Cw=1.06，逆风时Cw=1.43；

Ρ为空气密度=1.274N*s2/m4；

V为风速=40m/s；

S面积=1.586×0.808=1.28m2；

α为高度补正系数=（h/h0）1/5，h为阵列的地面以上高度，这里取值为2.5m，h0为基准地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I为用途系数=本光伏发电系统为通常光伏发电系统所以系数取1；

J为环境系数=本光伏发电系统没有障碍物的平坦地，系数取1.15。

当风从阵列前方吹来（顺风）的时候风压负荷W为

W=1/2×1.06×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1205.5N

当风从阵列后方吹来（逆风）的时候风压负荷W1为

W1=1/2×1.43×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1626.2N

该风压对太阳能电池方阵作为上吹荷重起作用。

③总荷重

顺风时候总荷重G+W=341.6+1205.5=1547.1N

逆风时候总荷重G-W1=341.6-1626.2=-1284.6N

4.2 安装光伏电池板的角钢框架弯曲校核

角钢框架受力图如图2所示。

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图2

由于顺风时总荷重大于逆风时，取较大的荷重计算，并认为框架受到均布荷重。

1250mm跨距框架受到的弯矩为：M=WL2/8

式中：W――单位长度的荷载N・m；

L――跨距长m。

可得，M=（1547.1×1215/1665÷1.215） ×1.2152÷

8=171.5（N・m）

应力σ1=M/Z

式中：Z――截面系数

因为杆件采用的是角钢，且有2根受力，其截面系数z=5.85cm3

则：σ1=17150/5.85×2=5863.3（N・cm2）

由于材料Q235的短期弯曲许用应力为15600N・cm2。5863.3

4.3 支撑杆的压曲荷重

本方案中有两根支撑杆，计算中总荷重均布在两根支撑臂上，即单根荷重为总荷重一半，则：

P=1547.1/2=773.6N

压曲荷重由下式（欧拉公式）求出：

Pk=n×π2×E×I/L2

式中：Pk――压曲荷重N；

I――轴向截面二次力矩；

n――由两端的支撑条决定的系数；

E――材料纵向弹性系数；

L――轴长；

Pk=1×3.142×20.6×106×12.21/982=208kN

由于Pk>P，所以是安全的。

4.4 支撑杆的拉伸强度

两根支撑杆在逆风时，受扬力作用，产生拉伸。荷重均布在两根支撑臂上，即单根荷重为总荷重一半。

拉伸应力σ=P/A

式中：P――单根荷重；

A――截面积（cm2），查表得A=5.347cm2

P=1547.1/2=773.6N

σ=773.6/5.347=144.7N/cm2

由于Q235的弯曲许用应力为15600N・cm2，则有144.7

5 结束语

方案通过设计、校核及实践证明，此方案是可靠的。本方案有效地解决了天祝县牧区电力匮乏的问题，为提升牧民生活水平创造了有力的电力保障。

参考文献：

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