太陽能板支架選型分析

    太陽能板支架是固定太陽能電池板的重（chóng）要部件。選擇合（hé）適的光伏支架形式,對於控製光伏電站（zhàn）工（gōng）程造價具有重（chóng）要（yào）意義。通過介紹光伏電站中常（cháng）用支架類型和形式,說明了各類（lèi）支架（jià）的特點,並從用鋼量（liàng）、受力及變形（xíng）三方麵對此進行分析。為光伏電站支架結構設計提供參考。

    隨著現代工業的發展,能源危機和大（dà）氣汙染問題日（rì）益突出,太陽能以其（qí）獨有的優勢成（chéng）為人們重視的焦點。我國的太陽能（néng）光伏產業也飛速發（fā）展,成為目前應用最廣泛的新（xīn）能（néng）源之一。太陽能（néng）板支架是光伏發電站的重要組成部分,支（zhī）架的選擇將直接影（yǐng）響光伏組件的運行安全（quán）、破損率及（jí）建設投資,在保證光伏組件（jiàn）正常運行的前（qián）提下,降低每組支架的用鋼量已成為光伏發電工程（chéng）的重點和難（nán）點。選擇合適的支架不但降低工程造價,也會減少後期養護成（chéng）本。因此光伏支架選型的（de）研究具有重要意（yì）義（yì）。

    一、支架（jià）分（fèn）類及特點。

    光伏電池（chí）是把太陽的光能直（zhí）接轉化為電能的基本單元,電池通過組合形成電池組件,電池組件是光伏電站的基本發電設（shè）備。結合目前國內太陽（yáng）能電池市場的產業現狀和產能情況（kuàng）,商用的太（tài）陽電池（chí）主要（yào）有以下種類型:單晶（jīng）矽太（tài）陽（yáng）能電池、多晶矽薄膜太陽能電池、非晶矽薄膜太（tài）陽能電（diàn）池（chí）、銅銦镓硒薄膜太陽能電池（CIGS）

    晶矽類電池組（zǔ）件（jiàn）多帶有不鏽鋼邊框（kuàng）,可以通過（guò）組件邊框很好的適應支架變形,破損率較（jiào）低（dī）,薄膜類電池組件多為無邊框,對支架變形的適應較差,組件破損率可達3~5‰,以30MW的光伏電站為例,建成後每年僅更換破損組件的投入就可達60~-100萬元。所以在采（cǎi）用薄膜類（lèi）電池組件（jiàn）的光伏電站中尤其要注意對支架變形的要求。

    目（mù）前我國普遍使（shǐ）用（yòng）的（de）光（guāng）伏支架係統從材質上分主（zhǔ）要有:混凝土支架、鋁合金支架及鋼支架三種。混土支（zhī）架主要（yào）用在大型光伏電站（zhàn）上,其自重（chóng）大,穩定性高（gāo）,可以支撐尺寸較大的光（guāng）伏板,例如:單軸軸光伏係統。但施工慢,工期長,裝配程度低,在常見的固定支架（jià）光伏電站中應用較少。鋁合金支架一般用在民（mín）用建築屋頂金耐腐蝕、質量（liàng）輕、美觀（guān）耐用等特點（diǎn）,但是承載力低,價（jià）格高,在國內的（de）地麵（miàn）光電站中應用（yòng）也較少。鋼（gāng）支架性能穩定,製造工藝成熟,承載力高,安裝簡便,支架廣泛采（cǎi）用的冷彎薄（báo）壁（bì）型鋼均為工廠生（shēng）產,具有規格統（tǒng）一,性能穩定,防腐性能優良,外形美觀等特點。鋼結構因其高強、質輕、穩定性好等優（yōu）勢廣（guǎng）泛應用於民用、工業太（tài）陽（yáng）能光伏和太陽能電站中。同時《光伏發電設計規範（fàn）》GB50797-2012中說明（míng）光伏支架材料宜采用鋼材“,材質的選用和支架設計應符合現行國家標準《鋼結構設（shè）計規範》GB50017-2003的規定。因此,本（běn）文硏究（jiū）主要針對地麵光（guāng）伏中的鋼結構支架。

    二（èr）、常用（yòng）鋼支架結構型（xíng）式

    2.1三角形支架

    此種支架是早期光伏工程中采用較多的支（zhī）架形式如（rú）圖（tú）1,支架設置前（qián）後長短支腿,支腿分別與基礎采用（yòng）螺栓連接,斜撐一端支撐在長柱柱腳,端在斜粱中部,縱冋檁條支撐在斜粱上,構成太陽能板支架係統。該結構（gòu）是（shì）幾何不變體係,無多（duō）餘約束。

此類支架結構常用的光伏支架柱腳與基礎的連接見圖2,此種結（jié）構形式如果柱腳按鉸接考慮,支架變形較大，用鋼量較高，並且由於支架變形引起的無邊框電池組件破損率非（fēi）常高。

    2.2改良三角形支架

    三角形支架（jià）對支（zhī）腿與基礎的連接形式要求較髙,為了有效解決這一問題,經過深入硏究,改（gǎi）良三角架孕育而生(如圖3),該支（zhī）架在三角（jiǎo）形支架的基礎上增加了斜支撐（chēng）,增加了支（zhī）架的整體穩定性,用鋼量（liàng）稍有增加,支架前後立柱協同變形,變形減小,適用於各（gè）種形式的（de）光伏組（zǔ）件支架,尤其是風荷載較大,地熱起伏不均勻或（huò）山地光伏,對支（zhī）架整體性和變形要求較高的工程。

    2.3人字形支架（jià）

    人字形支架遵（zūn）循的是結構力學中“三剛片規則”即:三（sān）個剛片用不在一直線上的三個單鉸兩兩相聯組成的集合體係不變,且沒有多餘約束。也是（shì）一個簡單的二元種支架形式(圖4)由於取消了長短腿的設置（zhì）,所以用鋼量較小,支架形（xíng）式更為簡單,施工安裝更為方便。但此種支架（jià）也有一定的局限性:1)因其無法（fǎ）在高（gāo）度（dù）方向調節支架,此支架（jià）僅適用於地勢平坦起伏較小的（de）地形;2)由於該（gāi）支架取消了長短支腿,使橫粱懸挑長度加長,上部荷載增大時（shí）,支架產生度也會增大,這對（duì）光伏支（zhī）架係統的（de）穩定性及無邊框光伏組（zǔ）件的破損率都會造成隱患,因此人字形支架僅用（yòng）於風荷載（zǎi）較（jiào）小的（de）工程環（huán）境。

    2.4改良（liáng）人字形支（zhī）架（jià）

    為了有效解（jiě）決（jué）人字形支（zhī）架斜粱用鋼量較大的（de）缺點（diǎn）角形支架的特點,形成了（le）改良版的人字形架(圖5),此種支架形式是在人字形支架的基礎上增加了後支腿,從而減少橫粱的懸挑長（zhǎng）度,達到加強支架統穩定（dìng）性,降低光伏組件破損率的效（xiào）果。改良（liáng）人（rén）字形支架（jià）用鋼量僅比人（rén）字形（xíng）支架略大,但是與兩個三角形支架相比,用鋼量（liàng）會有所減少。

    單柱光伏支撐結構主要由主梁、次粱、前支撐、後支撐、鋼柱、抱箍（gū）和單樁（zhuāng）基礎等關鍵構件組成,如圖6所示單柱光伏支撐結構釆用2個斜支撐,支起主、次梁,從而托起光伏電池板,鋼斜撐與單柱基（jī）礎ˉ間連接通過抱箍實現,具有簡潔、髙效的特點。同時單柱光伏支撐結構占用空間較小,可以充分利用前後排光伏組（zǔ）串之間的土地單柱光伏支（zhī）撐結（jié）構的前、後支撐是雙柱光伏支撐結（jié）構前、後支枉的拉長版,且單柱光伏支撐結構增（zēng）加了抱箍、鋼柱等構件,所以與雙柱光伏支架相比單柱支撐結構的用（yòng）鋼量明顯提高。

    三（sān）、支架（jià）受力及變形分析

    以工程為例,由於工程采用薄膜光伏組件,地勢也較為（wéi）平緩,考慮（lǜ）到支架（jià）的適用（yòng）性對改良型三角形支架和改（gǎi）良（liáng）型人字形支架的受力及變形進行分析,已知（zhī）的設計參數為:最佳（jiā）傾（qīng）角34度,外部環境為壁灘,地勢平坦,30年一遇風載0.42kNm2,抗（kàng）震（zhèn）設（shè）防烈度為7度（dù）,設計基（jī）本地（dì）震加（jiā）速度值為（wéi）010g,設計特征周期值為0.45s。場地類別為Ⅱ類,光伏板最低點距離地麵0.5m。,結構內力（lì）及節點位移（yí）見圖7~圖8。

    比可知,改良三角形支架其所受內（nèi）力及節點（diǎn）位移（yí）與改良人字形技支架相比均略大。改良人字（zì）形支架受力遠小於改良三角形支架,所以改良人（rén）字形支架的結構受力（lì）、用鋼量及（jí）節點位移均達到最小值,為此工程的最優方案。