浅谈光伏支架结构的优化设计研究

摘要：随着我国经济的飞速发展和环境污染的日益恶化，开发利用新能源迫在眉睫。光伏发电是新形势下全新的电能生产方式，其具有无污染、利用价值高等特点，呈现出广阔发展空间，本文对光伏支架设计进行简要分析并提出了优化设计方案。

关键词：光伏支架 特点 优化

【分类号】：TM73

由于西部地区光照资源丰富，以及光伏发电成本太高，中国开始在西部地区进行大型光伏并网电站的建设。西部地区尤其是西北地区的年有效光照小时数是东部地区的两倍左右，甚至超过2000小时。而西部地区遍布的大片荒漠化土地，对于需占地面积较大的光伏电站和光伏电站运营企业而言，具有较大的市场竞争力与吸引力。一般在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，如果选用的支架不合适，会增加加工成本、安装成本及后期养护成本。因此，对光伏电站支架结构进行优化研究具有较重要的意义。

1光伏电站的特点和光伏支架设计难度

1.1光伏电站特点。在实际中不难发现，光伏电站建设除需要巨额资金、人力物力外，还需要综合考虑各方面因素，比较常见的是：地形因素、太阳能丰富程度等。众所周知，光伏电站建设地区大多是石漠化严重的山地，加上其地表凹凸不平，使其在安装光伏组件过程中受各种因素影响。在上述分析中也提及到光伏电站所需巨额资金。但还是从另一方面来说，其土地成本相对较低，主要是因为其处于人烟稀少地区，这也是其受外界因素小的原因所在。以生活中比较常见的山地光伏电站为例，其出发点和落脚点无非就是缓解能源紧张问题，但是其受地势形态影响，如若将位于沙漠地区的光伏电站比较后不难发现，山地光伏电站布局规划欠合理，加上自然协调性相对较差，直接导致山地光伏电站建设成本上升，自然而然光伏支架结构优化、施工等相关工作无法正常进行。

1.2光伏支架设计的难点。光伏支架优化设计难点囊括诸多方面，可简单概括为两个部分：方阵设计方面，在上述分析中有提及到光伏电站建设中需要综合考虑各方面因素，例如：地形因素、地域因素等。在光伏支架优化设计中同样如此，应当充分考虑好光伏支架安装方式、方针基础等因素对光伏支架产生的影响并找出行之有效的方式予以解决，也只有这样光伏支架优化设计工作才能顺利进行。然而在实际中发现，光伏支架优化设计过程中，并未充分考虑好光伏电站方阵同光伏支架两者之间的关系，土地效用并未最大限度显现出来，极大程度上提升了光伏电站建设成本；光伏支架组件与支架规划欠合理。例如：采用何种方式或者手段使得各项标准满足建设需要，以此选择安全系数高和经济性能高的先进设备，更好作用于光伏电站建设，再者，光伏支架优化方面，需要将光伏组件同光伏电站支架两者有效匹配起来，只有这样才能够确保系统效率最高，减少因配置不合理产生的损失。

2现阶段光伏支架常见形式

2.1固定式光伏支架。固定式光伏支架，顾名思义，是指安装之后方位、角度等保持不变的支架系统。固定安装方式直接将太阳能光伏组件朝向低纬度地区放置，以串并联的方式组成太阳能光伏阵列，从而达到太阳能光伏发电的目的。其固定方式有多种，如地面固定方式就有桩基法（直接埋入法）、混凝土块配重法、预埋法、地锚法等，屋面固定方式随屋面材料不同而不同的方案。太阳能电池阵列的支架，通常由从钢筋混凝土基础中伸出的钢制热浸镀锌的加工品或者不锈钢制地脚螺栓来固定。在房屋屋顶上采用混凝土基础的场合，将房屋的防水层揭开一部分，剥掉混凝土表面。在天井的钢筋上把阵列用的混凝土座的钢筋焊接在一起。不能焊接钢筋时，为了借助混凝土的附着力和自重对抗风压，使混凝土底座表面凹凸不平使附着力加大。之后，用防水填充剂进行二次防水处理。如果上述方法也不能实施时，可在防水层上敷设比较贵的硅胶等耐候性缓冲材料，在其上安装热浸镀锌的重量大的钢骨架，然后在钢骨架上固定阵列支架。钢骨架是用塑料螺栓连接在房上周围突出的压檐墙上，目的是风压不致使阵列及钢骨架移动，起辅助强化作用。

2.2跟踪式光伏支架。当太阳光线垂直于电池面板时，太阳能接收到的太阳能最大，发电功率也最高。但是地球时时刻刻都在进行公转和自转，因此太阳光线角度是时刻都在发生变化的。而固定支架，因为电池面板是固定的，因此不能保证尽量让太阳光线垂直电池面板，不能充分利用太阳能。因此跟踪系统是尽量去对准太阳，使太阳光线在电池面板单位面积的接收到的太阳光线更多，从而增加发电量。目前而言，跟踪系统包括单周跟踪系统与双轴跟踪系统两大类，单轴跟踪系统又分为水平单轴跟踪系统和斜单轴跟踪系统。

3光伏支架的优化设计研究。

3.1选用合适的支架材料。根据德国的统计数据，在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，而太阳能光伏支架的投资仅占总成本的3%左右。因此，相对于太阳能电站高额的投资，支架成本的波动并不是敏感因素，选择高端支架的成本仅提高不足1%，然而如果选用的支架不合适，后期养护成本会大大增加，整体考虑并不合算。任何类型的太阳能光伏组件装配部件，最重要的特征之一是耐候性。需保证25年内结构必须牢固可靠，能承受如环境侵蚀，风、雪荷载和其它外部效应。安全可靠的安装，以最小的安装成本达到最大的使用效果、几乎免维护、可靠的维修、可回收，这些都是做选择方案时所需要考虑的重要因素。目前一些支架企业应用了高耐磨材料以抵抗风力雪荷载和其它腐蚀作用，综合利用了铝合金阳极氧化，超厚热镀锌，不锈钢，抗UV老化等技术工艺来保证阳能支架和太阳能跟踪的使用寿命。

3.2底座有限元分析。底座是连接光伏支架方形立柱和圆管地桩的零件，目前我方项目普遍采用的底座单个重量大约为2.6Kg。支架结构中，底座是重要的受力部位，且安装支架时需要大量使用。如何在保证安全可靠的前提下将其重量适当减小，以达到降低成本的目的，值得研究。经初步分析，拟将底座的高度由150mm减小为120mm，厚度由8mm减小为6mm，宽度也适当减小。现将新设计的底座在ANSYS中进行有限元分析，以确定其结构是否安全。根据地桩拉拔力的经验值，取20KN作为底座受到的竖直向上的力，并将其换算成面荷载施加在底座的螺栓孔位置。 得出了底座的强度结果。为使计算方便，采用底座的1/2模型进行分析，加载时施加了对称约束。 由计算结果可知，底座的最大应力103MPa，小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，最大变形为0.1mm，符合规范要求，因此，重新设计的底座结构是安全的。

3.3支架横梁有限元分析。为使力学计算方便，在SAP2000中对支架结构进行整体有限元分析时，常将支架横梁建模成简单的C型钢形式，这样计算结果就与真实结果有所出入。为准确计算出横梁在不同工况下的应力，在SAP2000中对整体结构进行计算后，再在ANSYS中对实际的冷弯内卷C型钢进行有限元分析，通过分析结果，可判定横梁结构是否安全。 取一根4720mm横梁进行有限元分析。光伏支架在某地使用时，受到了自重、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震等作用，将这些荷载进行组合，将最不利组合时的荷载换算成面荷载，施加在横梁上。得出了两种横梁在相同外荷载作用下的强度、刚度结果，冷弯内卷C型钢强度结果。由计算结果可知，在荷载、约束等外部条件相同的情况下，冷弯内卷C型钢的承载能力更好。简化的C型钢最大应力为179MPa，最大应变为6.83mm；冷弯内卷C型钢的最大应力为153Mpa，最大应变为6.2mm。强度都小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，刚度也满足规范要求。

4结束语

光伏支架在整个光伏电站的投资建设中占了很大一部分，因此对它进行优设计很有必要的，以此保证光伏支架结构的可靠性和安全性，为光伏发电建设工作奠定坚实的基础。

参考文献

[1]GB50797-2014，光伏发电站设计规范[S].2014.

[2]GB50009-2013，建筑结构荷载规范[S].2013.

[3]张梅，光伏支架结构整体性能的研究[A].2013.