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【光伏设计篇】光伏支架结构优化设计研究

发布于：2024-07-11 11:39:11 来自：电气工程/光伏太阳能 [复制转发]

随着全球能源安全及气候变化问题发展日益严峻，针对相关工作的研究也在增多。为更好地提升光伏支架结构运行质量，要针对支架结构进行安全等级化管理，配合相应的优化设计算法，维持良好的应用效能。

光伏支架结构概述

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结构组成

光伏支架结构主要包括采光支架单元、角度调节单元和支撑单元。

采光支架单元

是承载光伏组件的基本支架结构，能对光伏组件的自由度予以约束管理，并建立可控且规范的运行轨迹，确保运行效果符合预期。

采光支架一般安装4块光伏组件，4块组件的质心依次相连，并且要确保安装光伏组件的后采光支架重心在组合件的几何中心位置。

与此同时，子支架和辅助支架连接的位置要利用U形螺栓。

角度调节单元

设置2个角度跟踪调节单元模块，结合单独角度调节子结构完成调节控制。

太阳高度角跟踪调节单元主要利用电动缸驱动，借助其压缩处理过程对采光支架进行实时性调控，以保证能完整地跟踪太阳高度角；太阳方位角的跟踪要借助涡轮蜗杆传动机构，主要借助电机驱动。

支撑单元

主要包括1个支撑管和2个法兰盘，支撑单元是整个支架的支撑结构，要具备承载性能好、体积小的特征。

一般是选取回转体型材作为结构，较常见的是空心圆管，能在维持支撑效果的同时满足安全质量应用要求。

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功能要求

一方面，光伏支架结构要具备安全性。能应对施工及正常使用时可能产生的突发状况，能始终维持光伏组件运行的稳定性和安全性。

另一方面，光伏支架结构要具备耐久性。在常规化维护环境中，要具备抗腐蚀、抗风化、缓慢老化等特点，从而降低维护难度，提升安全应用的水平。

光伏支架结构优化设计方案

在光伏支架结构优化设计中，要关注荷载，确保荷载取值和组合形式均满足实际运行要求，以发挥光伏支架结构的优势，提升光伏支架结构控制管理的规范性。

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荷载处理

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要结合光伏支架结构优化设计应用标准，对关键荷载参数进行规范取值，以确保更加匹配结构应用规范，发挥荷载价值的同时，也能减少资源损耗。

以风荷载为例。要想维持光伏支架结构中光伏组件的应用效能，以便于能获取最大的光照辐射，一般会保证设备和水平面之间形成固定的角度，此时，设备必然会承载部分风荷载的作用。

与此同时，也正是由于光伏组件和支架系统自身存在受风面积大且自重较轻的特征，这就使得风荷载成为了光伏支架结构在实际应用环节中主要承受的荷载源。

基于此，要考虑顺逆风情况下支架结构的不同受力方向，从而对支架结构强度、变形状态以及基础抗倾覆性能进行检验。

光伏发电站设计的实际使用寿命一般为25年，因此取重现期为25年的风压值计算风载荷，为更好地提升支架结构的稳定性，可以结合实际情况参考类似的规范指标标准开展工作。

例如，依据国际标准《光伏组件安全鉴定》（IEC61730）的相关要求可知，光伏组件要能承受相当于瞬时风速为42m/s的风荷载。对应的光伏支架和光伏组件要具备相应的安全性要求。

荷载组合

光伏支架结构承受的主要荷载包括风荷载、雪荷载及施工检修荷载（见图1）。光伏支架结构本身紧贴地面，加之其属于重量较轻的柔性结构，要综合分析相关荷载参数，暂时不考虑地震作用。

图1?光伏支架结构承受的主要荷载

对应荷载组合的相关系数如下。

顺风状态

①基本组合，恒载分项系数为1.2，风荷载组合值系数为1.0、雪荷载组合系数为0.7、施工检修荷载组合值系数为0；

②标准组合，恒载分项系数为1.0，风荷载组合值系数为1.0、雪荷载组合系数为0.7、施工检修荷载组合值系数为0；

③极大风速，恒载分项系数为1.2，风荷载组合值系数为1.0、雪荷载组合系数为0.7、施工检修荷载组合值系数为0。

逆风状态

①基本组合，恒载分项系数为1.0，风荷载组合值系数为1.0、雪荷载组合系数为0.7、施工检修荷载组合值系数为0；

②标准组合，恒载分项系数为1.0，风荷载组合值系数为1.0、雪荷载组合系数为0.7、施工检修荷载组合值系数为0；

③极大风速，恒载分项系数为1.0，风荷载组合值系数为1.0、雪荷载组合系数为0.7、施工检修荷载组合值系数为0。

检修状态

①基本组合，恒载分项系数为1.2，风荷载组合值系数为0、雪荷载组合系数为0、施工检修荷载组合值系数为1.0；

②标准组合，恒载分项系数为1.0，风荷载组合值系数为0、雪荷载组合系数为0、施工检修荷载组合值系数为1.0。

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支架受力理论计算

多数光伏支架结构中次梁和主梁是关键的受弯构件，立柱结构和支撑结构则是受压构件。依据静力学原理可知，次梁最大跨中弯矩+Mmax和支座弯矩Mmax-等均满足相应的计算关系：

式中：l为次梁跨度；q为次梁结构自上而下均匀分布的荷载。

主梁结构受力情况要借助静力分析法计算。相较于普通钢结构的受弯构件，主梁结构和次梁结构的挠度一般不直接采取固定容许值。

在实际结构应用环境中，前后立柱结构和支撑结构需要承载轴向拉力，因为光伏支架结构自身的荷载参数有限，而对应的钢结构轴向承载力数值较高，为满足强度要求和规范应用，要充分结合钢结构规范稳定性的运行标准，保证支架结构中受压构件及受弯构件容许长细比取值满足实际需求（见表1）。

表1?容许长细比取值

结合相关要求和规范内容，设计对应的优化计算流程：

系统开始；
输入倾角参数、柱间距参数；
计算荷载，并对荷载组合的相关内容予以汇总；
选取适当的构件，保证其规格满足实际应用管理标准，分析是否满足强度及构造要求；
减小构件的规格，并再次确认分析是否满足强度及构造要求；
得到优化后的支架结构；
对其基底反力进行集中计算。

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组件排列方式

在光伏支架结构优化设计环节中，不仅要关注其运行稳定性和安全性，也要控制经济效益，践行规范化设计升级方案，维持相应处理环节的规范性。

通常，地面光伏发电站的组件排列方式包括竖向双层光伏组件排列和横向四层光伏组件排列。

两种排列方式在长度相同的范围内安装时组件块数一致。

同时，竖向双层光伏组件排列形式无须建立柱间支撑结构，能减少钢量的使用率，在实际设计环节中，在不考量其他因素的情况下，竖向双层光伏组件排列形式经济性更高，可以作为光伏发电厂的推荐排列方式。

光伏支架结构优化设计模拟分析

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数值模拟模型构建

为进一步验证光伏支架结构优化设计方案的可操作性，利用通用钢结构计算分析软件建立三维光伏支架数值模拟模型。

使用C型钢模拟主梁和次梁，对应的截面尺寸分别为：主梁结构为C60×40×20×2.5，次梁结构为C40×60×10×2.5。

需要注意的是，在实际应用环境中，光伏板本身就要集中安装在檩条位置，因此，光伏板风荷载以及雪荷载的对应传力路径是沿着板结构向檩条传递，最后传导到主梁。

为了最大程度上还原其传力路径，模型中并没有设置光伏板模型，而是将其设定为单向板结构，以保证荷载主要分配在檩条位置。

与此同时，光伏支架采取螺栓联接的处理方式，模型中各个节点都设置为绞节点，支座位置匹配相应的约束力，只保证约束位移参数，并不约束转角铰型支座。

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模拟结果

基于相应的模拟分析内容计算就能获取光伏支架各种荷载组合下的受力情况，得出的模拟数值参数和理论计算参数结果对比如下。

次梁结构

①最大应力比，顺风基本组合理论计算数值为0.883、模型模拟数值为0.854、偏差为3.4%；

②最大挠度，顺风标准组合理论计算数值为0.010m、模型模拟数值为0.009m、偏差为11.1%。

主梁结构

①最大应力比，顺风基本组合理论计算数值为0.053、模型模拟数值为0.048、偏差为10.4%；

②最大挠度，顺风标准组合理论计算数值为0.001m、模型模拟数值为0.001m，无偏差。

立柱结构

①前立柱最大压力，顺风基本组合理论计算数值为3.42kN、模型模拟数值为3.3kN、偏差为3.6%；

②后立柱最大压力，顺风基本组合理论计算数值为7.12kN、模型模拟数值为6.84kN、偏差为4.0%。

基底结构

①最大拉力，逆风标准组合理论计算数值为3.86kN、模型模拟数值为3.70kN、偏差为4.3%。

②最大压力，顺风基本组合理论计算数值为5.27kN、模型模拟数值为5.06kN、偏差为4.1%。

由此可知，理论计算数值和模型模拟数值之间的偏差均控制在5%以内，且对应的理论计算数值都高于模型模拟数值，证明计算结果的准确性和安全性较为合理，能更好地为光伏支架结构优化工作提供保障。

总而言之，要结合实际应用要求对光伏支架结构进行优化设计，提高其应用效能，减少经济损失，维持良好工作性能，更好地满足光伏发电站日常工作要求，为行业可持续健康发展奠定基础。所以，小编想在这里为你推荐《光伏支架设计从入门到精通》这门课程，本课程结合实例项目讲解，课程包含光伏发电的发展历程、现状及未来展望、光伏支架的结构形式、地面双立柱光伏支架案例、单桩单立柱、单桩双立柱案例、柔性光伏支架案例、光伏支架施工图绘制及工程量统计等内容，专家全程答疑，短时间内让你掌握光伏直接设计核心流程和方法。