太陽能板支架是固定太陽能電池板的重要部件。選擇合適的光伏支架形式,對于控制光伏電站工程造價具有重要意義。通過介紹光伏電站中常用支架類型和形式,說明了各類支架的特點,并從用鋼量、受力及變形三方面對此進行分析。為光伏電站支架結構設計提供參考。
隨著現代工業的發展,能源危機和大氣污染問題日益突出,太陽能以其獨有的優勢成為人們重視的焦點。我國的太陽能光伏產業也飛速發展,成為目前應用最廣泛的新能源之一。太陽能板支架是光伏發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行安全、破損率及建設投資,在保證光伏組件正常運行的前提下,降低每組支架的用鋼量已成為光伏發電工程的重點和難點。選擇合適的支架不但降低工程造價,也會減少后期養護成本。因此光伏支架選型的研究具有重要意義。
一、支架分類及特點。
光伏電池是把太陽的光能直接轉化為電能的基本單元,電池通過組合形成電池組件,電池組件是光伏電站的基本發電設備。結合目前國內太陽能電池市場的產業現狀和產能情況,商用的太陽電池主要有以下種類型:單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池（CIGS）
晶硅類電池組件多帶有不銹鋼邊框,可以通過組件邊框很好的適應支架變形,破損率較低,薄膜類電池組件多為無邊框,對支架變形的適應較差,組件破損率可達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60~-100萬元。所以在采用薄膜類電池組件的光伏電站中尤其要注意對支架變形的要求。
目前我國普遍使用的光伏支架系統從材質上分主要有:混凝土支架、鋁合金支架及鋼支架三種。混土支架主要用在大型光伏電站上,其自重大,穩定性高,可以支撐尺寸較大的光伏板,例如:單軸軸光伏系統。但施工慢,工期長,裝配程度低,在常見的固定支架光伏電站中應用較少。鋁合金支架一般用在民用建筑屋頂金耐腐蝕、質量輕、美觀耐用等特點,但是承載力低,價格高,在國內的地面光電站中應用也較少。鋼支架性能穩定,制造工藝成熟,承載力高,安裝簡便,支架廣泛采用的冷彎薄壁型鋼均為工廠生產,具有規格統一,性能穩定,防腐性能優良,外形美觀等特點。鋼結構因其高強、質輕、穩定性好等優勢廣泛應用于民用、工業太陽能光伏和太陽能電站中。同時《光伏發電設計規范》GB50797-2012中說明光伏支架材料宜采用鋼材“,材質的選用和支架設計應符合現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017-2003的規定。因此,本文硏究主要針對地面光伏中的鋼結構支架。
二、常用鋼支架結構型式
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,支架設置前后長短支腿,支腿分別與基礎采用螺栓連接,斜撐一端支撐在長柱柱腳,端在斜粱中部,縱冋檁條支撐在斜粱上,構成太陽能板支架系統。該結構是幾何不變體系,無多余約束。
此類支架結構常用的光伏支架柱腳與基礎的連接見圖2,此種結構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
三角形支架對支腿與基礎的連接形式要求較髙,為了有效解決這一問題,經過深入硏究,改良三角架孕育而生(如圖3),該支架在三角形支架的基礎上增加了斜支撐,增加了支架的整體穩定性,用鋼量稍有增加,支架前后立柱協同變形,變形減小,適用于各種形式的光伏組件支架,尤其是風荷載較大,地熱起伏不均勻或山地光伏,對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構力學中“三剛片規則”即:三個剛片用不在一直線上的三個單鉸兩兩相聯組成的集合體系不變,且沒有多余約束。也是一個簡單的二元種支架形式(圖4)由于取消了長短腿的設置,所以用鋼量較小,支架形式更為簡單,施工安裝更為方便。但此種支架也有一定的局限性:1)因其無法在高度方向調節支架,此支架僅適用于地勢平坦起伏較小的地形;2)由于該支架取消了長短支腿,使橫粱懸挑長度加長,上部荷載增大時,支架產生度也會增大,這對光伏支架系統的穩定性及無邊框光伏組件的破損率都會造成隱患,因此人字形支架僅用于風荷載較小的工程環境。
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角形支架的特點,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上增加了后支腿,從而減少橫粱的懸挑長度,達到加強支架統穩定性,降低光伏組件破損率的效果。改良人字形支架用鋼量僅比人字形支架略大,但是與兩個三角形支架相比,用鋼量會有所減少。
2.5單柱光伏支架
單柱光伏支撐結構主要由主梁、次粱、前支撐、后支撐、鋼柱、抱箍和單樁基礎等關鍵構件組成,如圖6所示單柱光伏支撐結構釆用2個斜支撐,支起主、次梁,從而托起光伏電池板,鋼斜撐與單柱基礎ˉ間連接通過抱箍實現,具有簡潔、髙效的特點。同時單柱光伏支撐結構占用空間較小,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構的前、后支撐是雙柱光伏支撐結構前、后支枉的拉長版,且單柱光伏支撐結構增加了抱箍、鋼柱等構件,所以與雙柱光伏支架相比單柱支撐結構的用鋼量明顯提高。
三、支架受力及變形分析
青海工程為例,由于工程采用薄膜光伏組件,地勢也較為平緩,考慮到支架的適用性對改良型三角形支架和改良型人字形支架的受力及變形進行分析,已知的設計參數為:最佳傾角34度,外部環境為壁灘,地勢平坦,30年一遇風載0.42kNm2,抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為010g,設計特征周期值為0.45s。場地類別為Ⅱ類,光伏板最低點距離地面0.5m。,結構內力及節點位移見圖7~圖8。
比可知,改良三角形支架其所受內力及節點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小于改良三角形支架,所以改良人字形支架的結構受力、用鋼量及節點位移均達到最小值,為此工程的最優方案。
4結語
本文對國內常用的光伏支架形式進行介紹,分析了各種支架形式的特點,并結合青海某工程設計得出以下結論：
1)目前太陽能板支架的類型主要是鋼結構,《光伏發電設計規范》也對這一形式的設計做了規定。
2)通過對各種光伏支架的特點分析,可以看出三角形支架對柱腳連接要求較高;人字形支架是最為節省鋼材的形式,但對場地,組件,基礎適用性上存在局限性;改良的人字形支架雖然用鋼量稍有增加
卻大幅提高了穩定性,但對工程場地及基礎也要求較高;單柱光伏支架占地面積最小,用鋼量最大。
3)改良人字形支架的所受內力及節點位移相對較小,結構偏于穩定。各類光伏支架的形式都有其優缺點,設計時要根據工程所處位置及應用環境合理選擇,同時綜合考慮各項因素,選取最優方案。
(本文選自河北省電力勘測設計研究院,河北石家莊050031，李娜&刑克勇)
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