单柱和双柱光伏支架结构方案对比分析

随着全球资源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行。光伏发电作为一种新的电能生产方式，以其无污染、无噪声、维护简单等特点显示出无比广阔的发展空间和应用前景，是最具潜力的能源开发领域，光伏发电在建设规模较大时，要安装的光伏组件十几万块单位容量以上。每块光伏组件重量十几kg 左右，故大规模光伏电站具有以下特点：光伏支架数量很多，支架上部荷载较小。如何采取合理的基础形式，是降低基础工程量、节约工程投资的关键所在。

1 结构形式

光伏支架的结构形式分为单支柱和双支柱，单、双支柱结构形式如图1、图2 所示。

图1 单支柱光伏支架示意

2 光伏支架基础荷载

光伏支架的荷载，主要荷载包括系统自重、风荷载、雪荷载和地震作用效应。为使光伏组件能接受最大的光照辐射，通常设计为与水平面成一定倾角，不可避免地承受风荷载作用。同时因为光伏组件及其支架系统还具有受风面积大、自重轻等特点，使风荷载成为光伏系统承受的主要荷载。无论是顺风时对支架结构强度和变形的要求，还是逆风时对基础抗倾覆的要求，都是光伏支架设计时起控制作用的条件。因此，合理的风荷载取值是光伏支架设计的重要内容，日本规范JIS 8955—2004《太阳能电池阵列用支撑物设计标准》给出了对风荷载取值的要求。但两国规范的可靠度设计理论差异较大，对我国光伏支架设计的指导作用有限。IEC61730《光伏组件安全鉴定》中要求光伏组件能承受相当于瞬时风速42 m/s的风荷载。因此文中采用25年一遇的风荷载基本组合对光伏支架进行结构设计，同时采用42 m/s瞬时风速对应的极大风荷载组合进行校核。

图2 双支柱光伏支架示意

3 计算模型

3.1 基础数据

以内蒙古某光伏电站项目为算例计算。

多晶硅，组件尺寸为1 956 mm×991 mm×45 mm，组件重量为22.5 kg/ 块，一个方阵单元长度17 184 mm，支架支柱间距为3.2 m。

模形中支架的截面为：双支柱方案立柱采用圆钢60 mm×3 mm ；支撑采用□20×1.5 ；横向主梁60 mm×40 mm×2.5 mm ；纵向主梁采用C 型钢62 mm×41 mm×2.5 mm ；后背拉杆采用10.5 圆钢。

单支柱方案立柱采用薄壁□120×60×3 ；横向主梁90 mm×50 mm×2.5 mm ；纵向主梁采用C 型钢62 mm×41 mm×2.5 mm ；后背拉杆采用10.5 圆钢。

3.2 工程地质

地质情况：勘探深度内地基土划分为2 层，各层地基土的岩性特征及物理力学性质指标如下。

①层粉土：一般厚度2.0 m 左右。该层土的物理力学性能指标可按如下采用。

天然重度γ=17.0 kN/m3 ；压缩模量Es=5.0 MPa ；粘聚力c=21.0 kPa ；内摩擦角φ=16.0° ；承载力特征值fak=130 kPa。

②层细砂：厚度大于3.0 m。该层土的物理力学性能指标可按如下采用。

天然重度γ=18.0 kN/m3 ；压缩模量Es=6.0 MPa ；内摩擦角φ=20.0° ；承载力特征值fak=120 kPa。

3.3 基础形式

基础采用钢筋混凝土灌注桩。

3.4 三维计算模形

双支架三维有限元计算模形如图3 所示。

图3 双支柱光伏支架三维计算简图

4 单双支架优缺点比较

4.1 重量比较

在计算满足均满足要求的情况下，单支柱方案材料见表1，双支柱方案材料见表2。

表1 单支柱钢材材料

表2 双支柱钢材材料

可看出，单支柱方案需要材料为516.97 kg，双支柱需要450.08 kg，从数据可看出单支柱方案较双支柱方案用钢量多14.9%。

4.2 基础比较

基础形式采用钢筋混凝土灌注桩方案较为经济，2 种方案基础均采用钢筋混凝土灌注桩方案进行比较。从表3、表4 可以看出，单支柱方案采用直径0.35 m 的桩，双支柱方案采用直径0.30 m 的桩。

表3 单支柱灌注桩方案

表4 双支柱灌注桩方案

4.3 费用分析

费用见表5。

表5 费用汇总

4.4 优缺点分析

单支柱光伏支架的优点：

（1）布置灵活，对地形适应性强，尤其对现在已经没有太多的平地做光伏的情况下是一种很好的解决方案；

（2）施工更便捷，首先桩数减少1/2会明显减少施工工期，适合抢工期的工程，其次能降低施工误差，保证后续的安装质量；

（3）节点安装更少；

（4）整体美观性更好。

单支柱光伏支架的缺点：

（1）结构对地质要求尤其是地表变化要求高；

（2）钢材用量较大，造价会稍高；

（3）对于一些回填土和风积沙地区不能使用。

双支柱光伏支架的优点：

（1）布置稳固，结构受力好，对不良地质适应性好；

（2）钢材用量少，相对造价要少。

双支柱光伏支架的缺点：对地形适应性差，尤其山坡地区，前后柱不容易固定，布置起来繁琐。

5 结论

本文光伏板支架采用国内较受业内认可的通用有限元软件Midas 进行支架结构的三维有限元设计，严格遵守国家标准GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中对结构的规定，结构构件进行设计优化，合理进行结构的构件布置，在各个构件受力更合理的基础上对单上支架结构形式进行比较，比较发现2 种方案均是可行的，单支柱方案在上部结构上用钢量较双支柱大，在基础下部单支柱方案较省。具体工程采用何种方案应根据业主要求、场地、后期的维护和保养、实际荷载计算对比确定。

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