太阳能板支架是固定太阳能电池板的重要部件。选择合适的光伏支架形式,对于控制光伏电站工程造价具有重要意义。通过介绍光伏电站中常用支架类型和形式,说明了各类支架的特点,并从用钢量、受力及变形三方面对此进行分析。为光伏电站支架结构设计提供参考。
随着现代工业的发展,能源危机和大气污染问题日益突出,太阳能以其独有的优势成为人们重视的焦点。我国的太阳能光伏产业也飞速发展,成为目前应用最广泛的新能源之一。太阳能板支架是光伏发电站的重要组成部分,支架的选择将直接影响光伏组件的运行安全、破损率及建设投资,在保证光伏组件正常运行的前提下,降低每组支架的用钢量已成为光伏发电工程的重点和难点。选择合适的支架不但降低工程造价,也会减少后期养护成本。因此光伏支架选型的研究具有重要意义。
一、支架分类及特点。
光伏电池是把太阳的光能直接转化为电能的基本单元,电池通过组合形成电池组件,电池组件是光伏电站的基本发电设备。结合目前国内太阳能电池市场的产业现状和产能情况,商用的太阳电池主要有以下种类型:单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）
晶硅类电池组件多带有不锈钢边框,可以通过组件边框很好的适应支架变形,破损率较低,薄膜类电池组件多为无边框,对支架变形的适应较差,组件破损率可达3~5‰,以30MW的光伏电站为例,建成后每年仅更换破损组件的投入就可达60~-100万元。所以在采用薄膜类电池组件的光伏电站中尤其要注意对支架变形的要求。
目前我国普遍使用的光伏支架系统从材质上分主要有:混凝土支架、铝合金支架及钢支架三种。混土支架主要用在大型光伏电站上,其自重大,稳定性高,可以支撑尺寸较大的光伏板,例如:单轴轴光伏系统。但施工慢,工期长,装配程度低,在常见的固定支架光伏电站中应用较少。铝合金支架一般用在民用建筑屋顶金耐腐蚀、质量轻、美观耐用等特点,但是承载力低,价格高,在国内的地面光电站中应用也较少。钢支架性能稳定,制造工艺成熟,承载力高,安装简便,支架广泛采用的冷弯薄壁型钢均为工厂生产,具有规格统一,性能稳定,防腐性能优良,外形美观等特点。钢结构因其高强、质轻、稳定性好等优势广泛应用于民用、工业太阳能光伏和太阳能电站中。同时《光伏发电设计规范》GB50797-2012中说明光伏支架材料宜采用钢材“,材质的选用和支架设计应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017-2003的规定。因此,本文硏究主要针对地面光伏中的钢结构支架。
二、常用钢支架结构型式
2.1三角形支架
此种支架是早期光伏工程中采用较多的支架形式如图1,支架设置前后长短支腿,支腿分别与基础采用螺栓连接,斜撑一端支撑在长柱柱脚,端在斜粱中部,纵冋檩条支撑在斜粱上,构成太阳能板支架系统。该结构是几何不变体系,无多余约束。
此类支架结构常用的光伏支架柱脚与基础的连接见图2,此种结构形式如果柱脚按铰接考虑,支架变形较大，用钢量较高，并且由于支架变形引起的无边框电池组件破损率非常高。
2.2改良三角形支架
三角形支架对支腿与基础的连接形式要求较髙,为了有效解决这一问题,经过深入硏究,改良三角架孕育而生(如图3),该支架在三角形支架的基础上增加了斜支撑,增加了支架的整体稳定性,用钢量稍有增加,支架前后立柱协同变形,变形减小,适用于各种形式的光伏组件支架,尤其是风荷载较大,地热起伏不均匀或山地光伏,对支架整体性和变形要求较高的工程。
2.3人字形支架
人字形支架遵循的是结构力学中“三刚片规则”即:三个刚片用不在一直线上的三个单铰两两相联组成的集合体系不变,且没有多余约束。也是一个简单的二元种支架形式(图4)由于取消了长短腿的设置,所以用钢量较小,支架形式更为简单,施工安装更为方便。但此种支架也有一定的局限性:1)因其无法在高度方向调节支架,此支架仅适用于地势平坦起伏较小的地形;2)由于该支架取消了长短支腿,使橫粱悬挑长度加长,上部荷载增大时,支架产生度也会增大,这对光伏支架系统的稳定性及无边框光伏组件的破损率都会造成隐患,因此人字形支架仅用于风荷载较小的工程环境。
2.4改良人字形支架
为了有效解决人字形支架斜粱用钢量较大的缺点角形支架的特点,形成了改良版的人字形架(图5),此种支架形式是在人字形支架的基础上增加了后支腿,从而减少横粱的悬挑长度,达到加强支架统稳定性,降低光伏组件破损率的效果。改良人字形支架用钢量仅比人字形支架略大,但是与两个三角形支架相比,用钢量会有所减少。
2.5单柱光伏支架
单柱光伏支撑结构主要由主梁、次粱、前支撑、后支撑、钢柱、抱箍和单桩基础等关键构件组成,如图6所示单柱光伏支撑结构釆用2个斜支撑,支起主、次梁,从而托起光伏电池板,钢斜撑与单柱基础ˉ间连接通过抱箍实现,具有简洁、髙效的特点。同时单柱光伏支撑结构占用空间较小,可以充分利用前后排光伏组串之间的土地单柱光伏支撑结构的前、后支撑是双柱光伏支撑结构前、后支枉的拉长版,且单柱光伏支撑结构增加了抱箍、钢柱等构件,所以与双柱光伏支架相比单柱支撑结构的用钢量明显提高。
三、支架受力及变形分析
青海工程为例,由于工程采用薄膜光伏组件,地势也较为平缓,考虑到支架的适用性对改良型三角形支架和改良型人字形支架的受力及变形进行分析,已知的设计参数为:最佳倾角34度,外部环境为壁滩,地势平坦,30年一遇风载0.42kNm2,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为010g,设计特征周期值为0.45s。场地类别为Ⅱ类,光伏板最低点距离地面0.5m。,结构内力及节点位移见图7~图8。
比可知,改良三角形支架其所受内力及节点位移与改良人字形技支架相比均略大。改良人字形支架受力远小于改良三角形支架,所以改良人字形支架的结构受力、用钢量及节点位移均达到最小值,为此工程的最优方案。
4结语
本文对国内常用的光伏支架形式进行介绍,分析了各种支架形式的特点,并结合青海某工程设计得出以下结论：
1)目前太阳能板支架的类型主要是钢结构,《光伏发电设计规范》也对这一形式的设计做了规定。
2)通过对各种光伏支架的特点分析,可以看出三角形支架对柱脚连接要求较高;人字形支架是最为节省钢材的形式,但对场地,组件,基础适用性上存在局限性;改良的人字形支架虽然用钢量稍有增加
却大幅提高了稳定性,但对工程场地及基础也要求较高;单柱光伏支架占地面积最小,用钢量最大。
3)改良人字形支架的所受内力及节点位移相对较小,结构偏于稳定。各类光伏支架的形式都有其优缺点,设计时要根据工程所处位置及应用环境合理选择,同时综合考虑各项因素,选取最优方案。
(本文选自河北省电力勘测设计研究院,河北石家庄050031，李娜&刑克勇)
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