柔性光伏支架系统构造设计与工程应用

柔性光伏支架系统（以下简称柔性支架）是一种大跨度多连跨结构，该结构采用两端固定点之间张拉预应力钢丝绳，两端固定点采用刚性结构及外侧斜拉钢绞线的形式提供支撑反力，可实现10~30m的大跨度，适应如山地起伏和植被增加等情况，只需在合适的位置设置基础并张紧预应力钢绞线或钢丝绳即可。在水位保持不变的条件下，可在湖泊和鱼塘中实现刚性柱、基础和柔性支撑的构造。

1两端钢立柱及基础设计

在柔性光伏支架两端钢立柱下方设独立基础，端部钢立柱外侧设斜拉钢绞线，钢绞线下方为配重式独立基础。

柔性支架上方的钢丝绳系统对端立柱柱顶产生向内的水平拉力，而斜拉钢绞线在柱顶提供的水平拉力可平衡钢丝绳的水平拉力。斜拉钢绞线有竖直向下的拉力，其在基础位置的竖直向上的拉力，可通过配重式基础上方的土形成的压力来平衡（图1）。

图1钢立柱下方基础及斜拉索方案示意

2光伏组件布局设计

根据光伏组件的布局采用灵活的支撑方案。该方案分为水平光伏组件和垂直光伏组件（图2）。可根据实际情况采用单跨度或多跨度。但受场地条件限制，单个跨度常不能满足需要，需采用2个、3个甚至更多个跨度。使用摆动柱可有效控制钢绞线的挠度。钢绞线或钢丝绳与端柱和中柱使用铰接固定以减少应力集中。采用上述设计方案有利于钢绞线或钢丝绳张紧且安装方便，可缩短施工周期，节约成本。

（a）

（b）

图2光伏组件布局设计示意

（a）横排方案；（b）竖排方案

3柔性光伏支架系统的工程应用

云南省寻甸县1.97MW光伏农业扶贫项目中部分光伏支架采用柔性支架，该支架东西方向为跨度方向，跨度10m，共8跨，方阵长80m；南北方向为柱距方向，柱距4m，方阵宽60m，占地面积为4800㎡，光伏组件采用横排布置方案，组件倾角为20°，方阵平面排布如图3所示。

图3柔性支架及光伏组件排布平面示意

（1）光伏组件尺寸为1245mm×635mm× 4.5mm，前玻璃面板TCO玻璃厚2.5mm，后玻璃面板为半钢化玻璃厚2mm，单块组件面积约为0.8㎡，单块组件重9.2kg。

设计边立柱选型为□140×80×3.0薄壁型钢。考虑各荷载工况和最不利荷载组合计算水平吊线上的张力，得到作用于单根边立柱的柱顶水平荷载为30.2kN（每根立柱承担4根钢丝绳的张力）；作用于单根边立柱的柱顶垂直荷载为1.82kN，并算得单根钢丝绳的拉力为7.55kN，选用6×7结构钢丝绳。

使用PKPM软件建模，将上述计算数据输入后得到的计算结果满足规范及使用要求。在计算模型中斜拉索用22圆钢筋代替，实际采用1×3（三股）10.8mm钢绞线，其强度满足要求。

（2）设计端钢梁选型为□160×80×3.0薄壁型钢。经计算作用于边横梁的均布荷载为15.1kN/m，使用PKPM软件建模，将上述数据输入后得到的计算结果满足规范及使用要求。

（3）设计中立柱为□120×60×3.0薄壁型钢，中横梁为□120×60×2.5薄壁型钢。光伏组件倾角为20°。使用PKPM软件建模，将数据输入后得到的计算结果满足规范及使用要求。

（4）根据上述计算结果查得基础反力，根据基础与其上方夯实土的自身重力共同承担上部斜拉力的原理确定基础尺寸和埋深。

4设计建议

（1）当中心柱为摇摆柱时，在迎风时摇摆柱和钢绞线会横向移动并与钢绞线形成几何可变系统，柱顶的水平位移大且不稳定，因此应从中心柱的顶部提供有效的水平力，避免中心柱受弯。将立柱间的支撑设在第一立柱两端之间可更好地解决该问题。

（2）钢绞线与柱顶固定时，钢绞线的接头位置易因弯折较大而导致强度降低，对此可借助辅助工具，如使用鸡心扣和UT线夹来避免。

云南寻甸光伏农业示范项目于2016年施工，2017年竣工并成功并网。由于该项目为光伏农业项目，利用柔性支架下方的空间建造农业大棚还可种植农作物（图4）。

图4柔性支架外观

5结束语

柔性光伏支架可用于高低起伏的地面，应用前景广阔。设计者和维护人员需重点关注其整体稳定性，在操作和维护方面，应关注钢绞线或钢丝绳的防腐蚀问题。随着更多设计团队和研发力量的加入，光伏柔性支撑也将朝安全、经济和耐用的方向发展。