光伏支架结构优化设计剖析

光伏支架结构优化设计剖析

叶坤

叶坤(温州埃菲生新能源开发有限公司325000)

摘要：科学技术的不断进步以及社会经济的快速前进带动了我国各行业的迅猛发展，但是随之而来的还有对能源、资源的大量消耗，我国虽是能源大国，但是人均能源相对缺乏，面对能源资源发展局势的日益紧张，我国越来越加大了对光伏电站工程建设的重视力度。光伏电站具有很多优点，如良好的环保性、灵活性、高效率的光电转化率、功率消耗的有效节省等。在光伏电站工程中光伏支架结构占据重要地位，本文主要针对光伏支架的结构优化设计进行简析。

关键词：光伏支架；结构优化；设计

引言我国光伏电站随着科技与经济的发展其工程以及技术方面得到了很大的进展。目前我国的地面光伏电站普遍采用的是Q235-B钢材料的支架，又综合考虑到各种内外因素，一般采用固定式的支架结构。

因为固定式的支架其受力能力较好，一般是由前后支腿、斜梁、横梁以及斜撑组成，所以国内运用该种结构的光伏支架较多。

一、光伏支架结构优化的基本内涵光伏支架结构的优化一般是采用电算方式进行的，因为光伏支架结构是超静定结构，如果采用简单的手算静力根本计算不出比较准确的结果，所以对于光伏支架结构的稳定性、刚度、强度等进行计算时一般采用SAP2000、PKPM以及ANSYS软件进行计算。

（1）SAP2000软件SAP2000可以为结构指定分块刚的假定，其风荷载体型系数可以分层或者分段考虑，且操作要方便的多。但是SAP2000也有一定的缺点，对支架节点等细部，其无法进行受力分析。

（2）PKPM软件PKPM操作简单，设计效率较高，但该软件没有适用于光伏支架的截面，计算时只能用近似的截面代替，其加载方式也不是很合理，计算结果并不能让人满意。

（3）ANSYS软件ANSYS在结构计算上功能强大，它能够形象而准确地模拟出支架零部件中实体结构的细部受力特征，进而计算出不同工况下的结构强度。

二、光伏支架结构的优化设计分析1、底座结构优化分析在光伏支架结构中，底座是非常重要的受力部位，作为光伏支架专用设备中的常见结构形式，底座能够承受更多形式对其的载荷作用力，能够为支架的稳定性提供服务。对于底座的设计，首先在其各个零部件受力时，要充分考虑到底座的强度，一定要保证材料的许应力要大于其各个部件的最大受应力；其次，要保证底座结构能够达到良好的刚性以及较大的固有频率；另外，光伏支架对于底座每个零部件的质量要求也很高。

现在我们拟将底座的高度由150mm减小为120mm，厚度由8mm减小为6mm，宽度也适当减小。首先，取20KN作为底座受到的竖直向上的力，并将其换算成面荷载施加在底座的螺栓孔位置。得出了底座的强度结果。由计算结果可知，底座的最大强度为103MPa，小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，最大变形为0.1mm，符合规范要求，因此，重新设计的底座结构是安全的。

2、支架横梁结构优化分析随着光伏发电太阳能大量的发展，传统的热轧槽钢和角钢已经不在被利用，节省材料，外形美观，方便使用的不锈钢型材、镀铝锌型材，高强热镀锌，成为主要的型材，在太阳能支架上被充分的发挥和应用。而在支架中，C型钢横梁是常用的材料，下面本文将在ANSYS中对实际的冷弯内卷C型钢进行有限元分析，通过分析结果，可判定横梁结构是否安全。

（1）在相同外力的作用下，横向的强度以及刚度计算光伏支架在某地使用时，受到了自重、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震等作用，将这些荷载进行组合，将最不利组合时的荷载换算成面荷载，施加在横梁上。得出了两种横梁在相同外荷载作用下的强度、刚度结果，冷弯内卷C型钢强度结果。

（2）计算结果分析在荷载、约束等外部条件相同的情况下，冷弯内卷C型钢的承载能力更好。简化的C型钢最大应力为179MPa，最大应变为6.83mm；冷弯内卷C型钢的最大应力为153Mpa，最大应变为6.2mm。强度都小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，刚度也满足规范要求。

3、光伏组件及梁支撑点优化计算（1）光伏组件在C型钢支架系统中，每块光伏组件在铝合金边框处，由4个压块牢固约束于主支撑梁上，下图为光伏组件尺寸结构示意图：

从上图可以看出，当光伏组件全局变形均值达到最小时，光伏组件在铝合金边框与玻璃结合处的应力分布更加均衡，支撑位置应力集中地现象较小，这对于光伏组件整体稳定承受外部载荷有利，因此可将850mm作为本例组件最优的支撑梁间距。

三、光伏支架的注意事项1、注意做好光伏支架的防风措施在光伏电池板背面增加一道1.2m左右的防风土墙，将会较大程度的降低光伏支架阵列的风荷载强度。

2、注意保持光伏支架阵列的侧向稳定阵列的侧向风载荷对支架阵列产生脉动冲击载荷，与风速、风频等因素有关，会引起系统的振动。在支架的侧面、背面加斜向拉筋，会减小支架阵列振动，增加支架系统的稳定性。

3、注意光伏支架对螺旋钢管桩的防腐要求螺旋钢管桩基础在应用中不仅需满足抗压、抗拔、抗水平剪切的强度要求外，还需满足土壤腐蚀性对钢管桩的腐蚀性要求，并且需相关的权威检测机构对钢管桩做出防腐蚀评价。

四、结束语本文首先介绍了光伏支架结构优化的基本内涵，进而分析了光伏支架结构优化的设计，具体对底座有限元结构优化、支架横梁有限元结构优化以及光伏组件及梁支撑点优化进行了详细分析。根据光伏组件及其支架系统在不同安装连接位置情况下的力学分析，得出最优化的安装连接位置。综上所述，光伏支架在整个光伏电站的投资建设中占了很大一部分，因此对它进行优设计很有必要的。同时我们也应该看到，目前市场的大电站支架结构较单一，在设计时，要充分考虑光伏发电站的各项荷载及对它们进行最不利荷载组合，这样才能保证结构的安全。

参考文献：[1]陈源.光伏支架结构优化设计研究[J].电气应用,2013-09-05[2]黄天云;白盛强.倾角可调光伏支架结构的研究[J].太阳能,2013-08-14[3]井华.光伏支架在光伏系统中的研究[J].中国电子商务.2012(15)