太阳能电站光伏单柱支架机械结构设计浅析

太阳能电站光伏单柱支架机械结构设计浅析
摘要：光伏组件支架作为太阳能电站电池板最主要的支撑结构，越来越被太阳能发电行业重视，支架的设计和使用寿命要求一定要满足整个电站的运行年限需要，在整个电站建设的投资中也占有相当的比例。

支架的设计涉猎钢结构，地质分析，土建基础，施工工艺，机械加工，表面处理，金属非金属材料，建筑结构等多领域多学科的知识，综合性较强。

本文针对单立柱支架系统的结构设计思路进行讨论，寻找最优的支架系统解决方案。

关键词：光伏支架；单立柱；双立柱；结构设计；太阳能发电
1.太阳能发电产业的前景
太阳能由于其安全、无污染和资源无限等优良属性，成为人类发展所必需的清洁能源。

尽管目前与风能、生物质能相比，太阳能开发利用的成本还很高，但太阳能的潜力巨大，前景非常广阔，随着其技术的不断进步和成本降低，太阳能，尤其是光伏发电的竞争力开始显现，使其成为继风电和生物质发电之后，又一个可以大规模开发利用的可再生能源技术。

从我国资源禀赋来看，就资源的可获得性而言，与水电、核电和风电等技术相比，太阳能发电资源几乎没有限制。

太阳能资源的利用与所用的技术、方式和面积有关。

截至2010年年底，中国已有建筑面积约450亿m2，屋顶和南立面至少有50亿m2，20%的可利系统；中国有大约120万km2的戈壁和荒漠面积，开发利用5%的荒漠可安装超过50亿kW（5 000 GW）太阳能光伏发电系统，年发电量可以达到6万亿kWh，是美国2010年发电量总和的1.5倍，相当于我国2015年预测的发电量总和。

可见，太阳能发电将成为将来新能源发展的主流方向，在不断进步的科学技术推动下，必将为人类社会能源问题解觉走出一条可持续发展的道路。

2.太阳能光伏组件支架系统概述
光伏支架系统产业，是太阳能电站的服务性产业，主要为太阳能电池板的安装提供稳定，可靠，满足使用寿命并与项目地自然条件相关的一系列要求的支撑结构。

随着太阳能发电产业的发展，带动了光伏支架行业的共同发展。

为了提高太阳能电站发电的实际效率，节省电站投资成本，对光伏支架的设计提出了更高的要求，既要满足结构上的要求，又要实现太阳能电池板实际发电效率的提升，光伏支架有固定支架、可调角度支架、跟踪系统等形式。

目前阶段，国内光伏电站项目，还是以固定支架应用最为广泛。

由于太阳能电池板的规模化生产技术水平提升很快，生产工艺逐渐成熟，其制造成本也在逐步下降，相比而言，使得光伏支架占太阳能电站总投资的比重在加大。

为适应整个光伏发电行业的发展趋势，光伏支架应在结构上不断的进行优化设计，控制成本，综合考虑支架结构对设计整个电站建设施工过程的影响，因此，光伏组件支架设计者应该站在全局的高度来进行支架设计。

3.地面固定单、双柱支架设计比较
地面固定光伏支架大体上分为两种结构形式，双柱支架系统和单柱支架系统。

目前大多数的国内电站项目光伏支架均采用双柱支架系统，少量采用单柱系统，因同条件下，单柱比双柱系统用钢量要大，所以单柱支撑系统的应用有一定的局限性。

国外项目单柱系统则比较多见。

本文主要对于两种支架系统的特点进行客观比较，以在实际应用中根据不同项目的特点进行最优选择。

为了直观的进行单柱支架系统与双柱支架系统的优缺点对比，现举例说明，以供读者参考：
例：某太阳能光伏电站支架设计基本资料：
基本风压：0.55KN/m2 基本雪压：0.25KN/m2
组件安装角度：30°组件规格尺寸：1640X992X45mm 方阵排布：2X20方阵支架单榀跨距：2800mm
方案一、采用双柱结构设计支架，如图（1）：
图（1）
经设计计算，选择各构件参数如表（1）。

主要构件规格材料：
双柱支架结构主要构件参数表表（1）
方案二：采用单柱结构设计方案，如图（2）：
图（2）
经设计计算，选择各构件参数如表（2）。

主要构件规格材料：
单柱支架结构主要构件参数表表（2）
由于两种结构中，次梁参数均相同，故不予比较
比较结果：单立柱结构单榀用钢量高于双立柱结构5.2kg/榀；
由PKPM软件设计计算结果得出：
两种结构支架对基础反力对比：
单立柱结构：轴力N=13.9KN剪力V=5.8KN（取最不利点）
双立柱结构：轴力N=10.3KN剪力V=4.3KN（取最不利点）
则单立柱支架系统同种条件下对于水泥基础的设计要求高于双立柱系统，因此水泥基础设计会有一定差异，但基础数量相应减少一倍。

单柱支撑系统有以下特点：
1.可减少基础使用量，节省基础材料成本和施工成本；
2.较容易控制基础的精度，这对于支架安装施工速度，基础的施工质量控制，有积极的影响；
3.若基础形式为混凝土浇筑形式，减少开挖量可最大限度的保护当地地貌，减少自然环境的破坏程度。

4.结构件和安装节点相对较少，可加快支架构件生产和安装速度，有利于保证工程进度，施工周期缩短；如有必要，可以进行工厂单榀支架预安装，减少现场施工工作量的人工成本，对于国外欧美市场人力成本偏高的地域来说，更具有竞争优势。

5.支架用钢量有一定程度的增加。

4.单立柱支架系统设计要点解析：
（1）立柱的水平位置设置：
现对两种情况下，对支架受力状态进行分析。

原结构，支架系统弯矩弯矩如图（3）所示（单位KN.m），立柱最大弯矩为底部，弯矩-3.0KN.m，斜梁最大弯矩位于立柱顶部位置，为±1.1KN.m；
第二种结构，将立柱位置向前部移动一定距离（300mm），支架系统弯矩图如图（4）所示：立柱最大弯矩仍然在底部为-4.3KN.m；斜梁最大弯矩处位于立柱顶部位置，为±0.6KN.m；
图（3）弯矩图
图（4）弯矩图
原结构在风荷载作用下的简图如图（5）所示，风荷载作用相对于立柱底部支点位置是平衡的；
第二种结构在风荷载作用下简图如图（6）所示，相对于立柱底部支点位置，风荷载是不平衡的。

图（5）
图（6）
结论：一般以风荷载占主导的受力条件下，将立柱位置设置在风荷载对于立柱柱底弯矩平衡的位置，可增加系统的稳定性，减小立柱规格。

但就举例案例来说，斜梁的部分节点的弯矩增大，材料规格可能会相应增加。

所以要综合考虑结构优化的利弊。

（2）前支撑位置设置：
原结构中，前支撑下部节点设置在柱底支座处，由应力比简图如图（7）所示，前支撑最大应力比为0.27，立柱最大应力比为0.73；斜梁最大应力比0.91；
另一种结构，前支撑下部节点上移一定距离（200mm），支撑位置在立柱上，由应力比简图如图（8）所示，前支撑最大应力比0.91；立柱最大应力比已经超限，达到1.14；斜梁最大应力比0.83；
图（7）应力比图
图（8）应力比图
结论：一般情况下前支撑下部节点应设置在柱底基础支点上，这样有利于改善前支撑于立柱的受力状态，但斜梁的应力会有小幅度的增加。

（3）后支撑位置设置：
原结构中，后支撑下部节点设置在立柱的中部，由应力比简图如图（7）所示，后支撑最大应力比为0.39，立柱最大应力比为0.73；斜梁最大应力比为0.91；
另一种结构，后支撑下部节点设置在立柱柱底，由应力比简图如图（9）所示，后支撑最大应力比达到了0.72，立柱最大应力比0.72，斜梁最大应力比达到0.97。

结论：后支撑下部节点设置位置，对于立柱的受力状态影响较小，因为计算长度的增加，使后支撑稳定性愈加不利，斜梁也受到一定程度影响，因此，后支撑下部节点位置的选择，以尽可能的减少其长度为宜。

图（9）应力比图
5.结束语:
太阳能电站光伏支架单柱系统的设计，需综合考虑各个构件之间相互关联的
影响，以达到最佳的平衡点进行方案的优化设计，使其有更好的经济性和实用性。

单双柱系统各有优缺点，根据每个项目的实际不同情况，可以进行灵活的选择设计，综合各方面的因素总体考虑。

参考文献：
《太阳能光伏发电及其应用》赵争鸣刘建政孙晓瑛袁立强编著科学出版社出版2005年10月第一版
《太阳能光伏发电系统及其应用》杨贵恒强生泽张颖超郑勇编著化学工业出版社出版2011年5月北京第一版。