太陽(yáng)能板支架是固定太陽(yáng)能電池板的重要部件。選擇合適的光伏支架形式,對(duì)于控制光伏電站工程造價(jià)具有重要意義。通過(guò)介紹光伏電站中常用支架類(lèi)型和形式,說(shuō)明了各類(lèi)支架的特點(diǎn),并從用鋼量、受力及變形三方面對(duì)此進(jìn)行分析。為光伏電站支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

    隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題日益突出,太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)成為人們重視的焦點(diǎn)。我國(guó)的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)也飛速發(fā)展,成為目前應(yīng)用最廣泛的新能源之一。太陽(yáng)能板支架是光伏發(fā)電站的重要組成部分,支架的選擇將直接影響光伏組件的運(yùn)行安全、破損率及建設(shè)投資,在保證光伏組件正常運(yùn)行的前提下,降低每組支架的用鋼量已成為光伏發(fā)電工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。選擇合適的支架不但降低工程造價(jià),也會(huì)減少后期養(yǎng)護(hù)成本。因此光伏支架選型的研究具有重要意義。

    一、支架分類(lèi)及特點(diǎn)。

    光伏電池是把太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能的基本單元,電池通過(guò)組合形成電池組件,電池組件是光伏電站的基本發(fā)電設(shè)備。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和產(chǎn)能情況,商用的太陽(yáng)電池主要有以下種類(lèi)型:單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池（CIGS）

    晶硅類(lèi)電池組件多帶有不銹鋼邊框,可以通過(guò)組件邊框很好的適應(yīng)支架變形,破損率較低,薄膜類(lèi)電池組件多為無(wú)邊框,對(duì)支架變形的適應(yīng)較差,組件破損率可達(dá)3~5‰,以30MW的光伏電站為例,建成后每年僅更換破損組件的投入就可達(dá)60~-100萬(wàn)元。所以在采用薄膜類(lèi)電池組件的光伏電站中尤其要注意對(duì)支架變形的要求。

    目前我國(guó)普遍使用的光伏支架系統(tǒng)從材質(zhì)上分主要有:混凝土支架、鋁合金支架及鋼支架三種?；焱林Ъ苤饕迷诖笮凸夥娬旧?其自重大,穩(wěn)定性高,可以支撐尺寸較大的光伏板,例如:單軸軸光伏系統(tǒng)。但施工慢,工期長(zhǎng),裝配程度低,在常見(jiàn)的固定支架光伏電站中應(yīng)用較少。鋁合金支架一般用在民用建筑屋頂金耐腐蝕、質(zhì)量輕、美觀耐用等特點(diǎn),但是承載力低,價(jià)格高,在國(guó)內(nèi)的地面光電站中應(yīng)用也較少。鋼支架性能穩(wěn)定,制造工藝成熟,承載力高,安裝簡(jiǎn)便,支架廣泛采用的冷彎薄壁型鋼均為工廠生產(chǎn),具有規(guī)格統(tǒng)一,性能穩(wěn)定,防腐性能優(yōu)良,外形美觀等特點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)因其高強(qiáng)、質(zhì)輕、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)太陽(yáng)能光伏和太陽(yáng)能電站中。同時(shí)《光伏發(fā)電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50797-2012中說(shuō)明光伏支架材料宜采用鋼材“,材質(zhì)的選用和支架設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的規(guī)定。因此,本文硏究主要針對(duì)地面光伏中的鋼結(jié)構(gòu)支架。

    二、常用鋼支架結(jié)構(gòu)型式

    2.1三角形支架

    此種支架是早期光伏工程中采用較多的支架形式如圖1,支架設(shè)置前后長(zhǎng)短支腿,支腿分別與基礎(chǔ)采用螺栓連接,斜撐一端支撐在長(zhǎng)柱柱腳,端在斜粱中部,縱冋檁條支撐在斜粱上,構(gòu)成太陽(yáng)能板支架系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)是幾何不變體系,無(wú)多余約束。

此類(lèi)支架結(jié)構(gòu)常用的光伏支架柱腳與基礎(chǔ)的連接見(jiàn)圖2,此種結(jié)構(gòu)形式如果柱腳按鉸接考慮,支架變形較大，用鋼量較高，并且由于支架變形引起的無(wú)邊框電池組件破損率非常高。

    2.2改良三角形支架

    三角形支架對(duì)支腿與基礎(chǔ)的連接形式要求較髙,為了有效解決這一問(wèn)題,經(jīng)過(guò)深入硏究,改良三角架孕育而生(如圖3),該支架在三角形支架的基礎(chǔ)上增加了斜支撐,增加了支架的整體穩(wěn)定性,用鋼量稍有增加,支架前后立柱協(xié)同變形,變形減小,適用于各種形式的光伏組件支架,尤其是風(fēng)荷載較大,地?zé)崞鸱痪鶆蚧蛏降毓夥?對(duì)支架整體性和變形要求較高的工程。

    2.3人字形支架

    人字形支架遵循的是結(jié)構(gòu)力學(xué)中“三剛片規(guī)則”即:三個(gè)剛片用不在一直線(xiàn)上的三個(gè)單鉸兩兩相聯(lián)組成的集合體系不變,且沒(méi)有多余約束。也是一個(gè)簡(jiǎn)單的二元種支架形式(圖4)由于取消了長(zhǎng)短腿的設(shè)置,所以用鋼量較小,支架形式更為簡(jiǎn)單,施工安裝更為方便。但此種支架也有一定的局限性:1)因其無(wú)法在高度方向調(diào)節(jié)支架,此支架僅適用于地勢(shì)平坦起伏較小的地形;2)由于該支架取消了長(zhǎng)短支腿,使橫粱懸挑長(zhǎng)度加長(zhǎng),上部荷載增大時(shí),支架產(chǎn)生度也會(huì)增大,這對(duì)光伏支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性及無(wú)邊框光伏組件的破損率都會(huì)造成隱患,因此人字形支架僅用于風(fēng)荷載較小的工程環(huán)境。

    2.4改良人字形支架

    為了有效解決人字形支架斜粱用鋼量較大的缺點(diǎn)角形支架的特點(diǎn),形成了改良版的人字形架(圖5),此種支架形式是在人字形支架的基礎(chǔ)上增加了后支腿,從而減少橫粱的懸挑長(zhǎng)度,達(dá)到加強(qiáng)支架統(tǒng)穩(wěn)定性,降低光伏組件破損率的效果。改良人字形支架用鋼量?jī)H比人字形支架略大,但是與兩個(gè)三角形支架相比,用鋼量會(huì)有所減少。

    單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)主要由主梁、次粱、前支撐、后支撐、鋼柱、抱箍和單樁基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件組成,如圖6所示單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)釆用2個(gè)斜支撐,支起主、次梁,從而托起光伏電池板,鋼斜撐與單柱基礎(chǔ)ˉ間連接通過(guò)抱箍實(shí)現(xiàn),具有簡(jiǎn)潔、髙效的特點(diǎn)。同時(shí)單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)占用空間較小,可以充分利用前后排光伏組串之間的土地單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)的前、后支撐是雙柱光伏支撐結(jié)構(gòu)前、后支枉的拉長(zhǎng)版,且單柱光伏支撐結(jié)構(gòu)增加了抱箍、鋼柱等構(gòu)件,所以與雙柱光伏支架相比單柱支撐結(jié)構(gòu)的用鋼量明顯提高。

    三、支架受力及變形分析

    以工程為例,由于工程采用薄膜光伏組件,地勢(shì)也較為平緩,考慮到支架的適用性對(duì)改良型三角形支架和改良型人字形支架的受力及變形進(jìn)行分析,已知的設(shè)計(jì)參數(shù)為:最佳傾角34度,外部環(huán)境為壁灘,地勢(shì)平坦,30年一遇風(fēng)載0.42kNm2,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為010g,設(shè)計(jì)特征周期值為0.45s。場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),光伏板最低點(diǎn)距離地面0.5m。,結(jié)構(gòu)內(nèi)力及節(jié)點(diǎn)位移見(jiàn)圖7~圖8。

    比可知,改良三角形支架其所受內(nèi)力及節(jié)點(diǎn)位移與改良人字形技支架相比均略大。改良人字形支架受力遠(yuǎn)小于改良三角形支架,所以改良人字形支架的結(jié)構(gòu)受力、用鋼量及節(jié)點(diǎn)位移均達(dá)到最小值,為此工程的最優(yōu)方案。