探析光伏支架结构优化设计

探析光伏支架结构优化设计

曾义

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司湖南长沙410014)

摘要：对于光伏发电场的结构设计来说，光伏支架结构的设计和优化具有非常重要的意义，但是，当前我国光伏支架结构设计缺乏相应的规范标准。基于此，文章以我国现行的相关指导为依据，并借鉴、参考国外这方面的相关设计规范，对光伏支架结构的理论设计、计算方法以及其结构优化进行了探究。

关键词：光伏；支架；结构；优化；设计

引言

随着社会的不断进步，新能源越来越受到更多人的关注，其中太阳能应用最为广泛。在能源消耗日益增长的今天，太阳能已经逐渐成为了新能源中必不可少的部分，是未来人类能源的重要来源。所以，其相关的技术也逐渐被人们所重视，光伏支架作为太阳能发电设备的重要部分，也越来越受到相关企业的重视。

1光伏支架结构的发展现状

作为光伏组件支撑物的重要组成部分，光伏支架结构的设计采用钢材制备必将导致成本的大幅度升高和制作材料的浪费。因此，光伏支架结构的优化设计就显得尤为重要。目前通用的光伏支架结构通常是由两个立柱起到支撑作用，立柱之间通过各种拉筋进行固定支撑连接等作用，此外，每个支架上都安装有晶硅光伏板。支架整体的立柱通过其下部的安装基础进行与地面之间的固定，在立柱之上安装各种横梁纵梁从而增加整个光伏支架的稳定性。对于这种传统的光伏支架出现的最大问题在于光伏发电的效率较低，主要原因就在于光伏支架结构的固定，不能进行调节。另外，整个支架的成本也比较高，由于横梁纵梁及两根立柱的成本价格过高，对整个光伏电站的建设也提出了很大的挑战。

2光伏支架荷载与理论计算

2.1风荷载值

为了确保光伏组件能够最大面积地接收到阳光的照射，光伏支架通常会被设计为与地面水平面之间有一定倾斜角度的形式，所以，光伏组件和支架不可避免的要受到风力的荷载作用。另外，光伏支架及其组件还具有承受风力面积大、自身设备重量轻的特点，导致其承受的风力荷载也较大。设计人员在设计优化光伏支架时，顺风条件下，应注意支架的强度以及变形要求值；在逆风条件下，应注意光伏支架设计的基础抗倾覆要求，这两项都是设计光伏支架结构的基本要求。

2.2荷载组合

光伏支架的主要荷载如图1所示，其中主要包括风力荷载、雪荷载以及建设施工检修荷载三部分。通常光伏支架应该紧紧与地面相依附，是一种柔性结构，且自重较轻，受到地震振动力的影响较小，所以在光伏支架的荷载中不包括地震荷载。

图1光伏支架荷载简图

2.3理论计算

比较典型的光伏支架主要由主梁、次梁、前后立柱、支撑等几部分构成。主、次梁属于受弯构件，前、后立柱属于受压构件。以静力学原理为计算依据，主梁的跨中弯矩最大值、支座弯矩、挠度的计算公式为：

所以，次梁的相关数据值也可以根据静力学方法进行计算。光伏支架中的受弯构件与普通钢结构的同类零部件相类似，主、次梁的扰度值也不能超过规定的允许值限。根据普通钢结构受力构件的允许值，光伏支架主、次梁可以选取的扰度值分别为L/250、L/200。前、后立柱以及支撑的主要作用是接受轴向拉力或者是相关压力，由于光伏支架自重较轻，荷载本身不大，但是普通钢结构的轴向拉力向来较大，所以选用这些构件时不受强度要求的影响。参考普通钢结构的相似结构容许长细比值要求，光伏支架中前、后立柱可选用的容许长细比值为150，支撑结构的容许长细比值为200；受拉构件的容许长细比值范围在300至400之间。根据上述原理的计算和探讨，光伏支架结构设计优化的流程为：开始→输入倾斜角、立柱间距等相关参数→计算光伏支架受力荷载以及荷载组合→选取相关构件→构件规格能否满足光伏支架的强度设计以及构造要求？→不满足，返回上一步骤；满足则降低构件规格→构件规格能否满足光伏支架的强度设计以及构造要求？→能满足，降低构件规格；不满足则获得经过优化后的支架结构→计算基底反力→结束。

3光伏电站支架成本的影响因素及其结构优化

3.1光伏电站支架成本的影响因素

在建设光伏支架时首先需要考虑成本，特别是材料的选择方面，既要考虑到稳定性、坚固性以及使用时限性等方面，还要考虑到建筑材料的成本。决定光伏电站支架结构成本的主要因素有前期安装成本、前期费用、运输费用、发电成本以及运行时期的维修费用等。在光伏电站支架建设过程中必须充分考虑这些因素，例如提前和运输公司进行提前商量，选择转运过程最少、运输成本最低且安全性较高的运输方式，此外，还应该尽量就地选材，这就需要考虑工程的选址因素。为了降低设备的维修率，要充分考虑材料的选择，材料的回收率要有一定的保证。

3.2光伏支架设计经济性结构优化

光伏发电站常见的光伏组件设计方式主要有竖向双层的光伏组件排列和横向四层的光伏组件排列两种方式。以一个1956mm×992mm，容量为275Wp的光伏组件为例，对比两种光伏组件的排列方式，可知对于竖向双层的构建来说，其所需构建的数目较多，但横截面积相对小，而对于后面一种横向四层的光伏组件，构建的根数较少，相对之间的联系较少，横截面积相对较大，此外，相同条件下的竖向双层结构所需的钢材数量较少，所以仅考虑光伏支架设计的经济性时，前者更有优势，可作为地面光伏电厂较主要的光伏支架设计方式。

结束语

总而言之，要合理设计优化光伏支架结构必须考虑风荷载因素，根据相关风荷载数据得出最合理的结构。此外，还要考虑其经济性和实用性，通过优化设计，减少安装成本；还要调节合适的角度，以满足与太阳光之间的垂直角度，尽量提升发电效率。

参考文献：

[1]王冉.浅析当前光伏支架结构优化设计[J].科研,2016(8):00118-00118.

[2]郭增平.光伏支架结构优化设计探索[J].建筑工程技术与设计,2016,32(17).