一种固定式光伏发电支架系统优化及参数化设计

中电电气(南京)太阳能研究院 ■ 张勇成 田介花 贾艳刚

一 引言

光伏系统的设计过程中，支架系统作为直接支撑光伏组件的核心结构，其成本在整个光伏系统中所占比重虽然不大，但对于系统的安全性却至关重要。合理的支架结构布置能够提升系统抗风、抗雪载的能力，合理运用支架系统在承载方面的特性，可进一步对其尺寸参数作优化，节约材料，为光伏系统进一步降低成本作出贡献。

以均布荷载作用下光伏组件的变形均值为参数目标，通过对C型钢光伏支架系统的分析模拟，可找出系统各连接点的优化值；以光伏组件的尺寸参数为基础，应用三维软件的参数化设计功能，按照各连接点之间的参数关系式，可快速建立完整的支架系统结构模型。

二 地面电站C型钢支架介绍

C型钢支架系统如图1所示。以光伏组件竖向安装为例，大规模光伏电站使用的光伏组件长边尺寸在1.5m以上，组件在纵向排列宜取2块，太多则导致最上排组件位置太高，不利于现场施工。

每排光伏组件下方布置有两根支撑次梁，次梁将组件自重及外部荷载通过主梁传递至前后立柱，而立柱通过膨胀螺栓或预埋螺栓与混凝土基础相连。

图1 地面安装C型钢支架系统构成

三 光伏组件及主梁支撑点优化计算

在快装型C型钢支架系统中，每块光伏组件在铝合金边框处由4个压块牢固约束于支撑次梁上。以图2中的光伏组件为例，在Ansys中建立面构建的四分之一分析模型[1,2]，施加垂直光伏组件表面均布压力2000Pa(基于线性模型的假设，荷载具体取值以分析模型不产生大变形即可，与IEC 61215对光伏组件的机械性能要求[3]无关)，得到图3所示的变形结果。

图2 光伏组件尺寸结构示意图

图3 光伏组件变形云图及变形监测点分布

如图3所示，光伏组件在铝合金边框的保护作用下，最大变形位置发生在模型中心点。为考察次梁间距的变化对光伏组件受力变形的影响，在分析模型上定义三个监测点(见图3中1、2、3点)，结果如图4所示。

图4 光伏组件变形趋势图

由图4可知，次梁间距值350mm时，光伏组件中心点(监测点3)及组件支撑边中点(监测点2)变形量达最小，而光伏组件短边中点(监测点1)变形量则相对较高；支撑梁间距值为850mm时，光伏组件全局变形均值达到最小。进一步对次梁间距为350mm、850mm两种情况分析，得到光伏组件支撑边边框上的VonMises应力分布，如图5所示。

图5 光伏组件铝合金边框结合处应力分布

从图5可看出，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应力分布更加均衡，支撑位置应力集中的现象较小，这对于光伏组件整体稳定承受外部载荷有利，因此可将850mm作为最优的次梁支撑间距。

根据以上对光伏组件支撑情况的分析，考虑一定的结构安装可靠度系数，可计算出任何尺寸光伏组件所对应的主梁长度尺寸，分析如图6所示。

假设L1为1580mm，L3取值150mm，组件之间预留缝隙20mm，根据以上分析L2可取850mm，则主梁长度计算为：

L4=2×150+20+1580+850=2750mm

与光伏组件支撑点分析方法类似，根据对称情况建立一半长度的主梁分析模型(图7)，考虑相对刚性的光伏组件边框将外部荷载经由次梁直接传递至主梁，通过监测主梁全局变形量确定间距L5的最优值，如图8、图9所示。

图7 典型C型钢主梁模型示意图

图8 主梁变形及变形监测点分布

图9 主梁变形趋势图

由图9可知，立柱支撑间距值为1500mm时，光伏组件全局变形均值达到绝对值最小，即L5为最优值。

以上分析得出，次梁及立柱间距优化值存在的前提条件为长宽比约为1.96(1580/808)含铝合金边框的常规光伏组件，对分析结果作线性归一处理可得其他类似长宽比的光伏组件安装尺寸的优化值：

次梁间距优化值：850/1580≈0.54，即次梁间距约为组件长边尺寸的54%。

立柱间距优化值：1500/1580≈0.95，即前后立柱支撑点间距约为组件长边尺寸的95%。

考虑到众多光伏组件厂家的产品尺寸存在差异性，多数组件长宽比范围大致在1.5～2之间，以上归一的比例值可分别取0.6、1.0进行初步安装估算。

四 支架系统参数化设计

光伏系统设计过程中，通常以组件串为单位进行结构设计，以光伏组件支撑边长度参数为基本值。根据以上优化的安装尺寸，在SolidWorks软件中以方程式的形式对各参数建立关系[4]，并以系列零件设计表设计可视化设计界面，即可得到方便工程设计人员使用的参数化模型，见图10。

图10 SolidWorks参数化设计界面

五 结论

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，得出优化的安装连接位置，再将优化设计值与光伏组件尺寸建立线性关系，使计算结果具备一定普遍应用的实际意义。在实际工程中，按此优化尺寸设计安装的光伏系统在中电电气景德镇3.5MWp地面电站、高铁南京南站6.98MW光伏屋顶等工程中已得到验证，具有较高的安全度。

以组件串列为单位的参数化三维设计可为工程人员带来很大便利，三维设计与二维工程图之间建立关系后，可快速获得个性化需求的设计方案图纸，极大地节约了结构设计人员的时间。

[1]黄浩, 吴志学. 光伏组件变形对组件性能的影响研究[J]. 机械工程与自动化, 2011, 4:107－109.

[2]叶先磊, 史亚杰. ANSYS工程分析软件应用实例[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003.

[3] IEC 61215: 2005, Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) modules-Design qualification and type approval[S].

[4]叶修梓, 陈超祥. SolidWorks高级教程：高级装配[M]. 北京:机械工业出版社, 2007.

[5] (日)太阳光发电协会,刘树民, 宏伟, (译). 太阳能光伏发电系统的设计与施工[M]. 北京: 科学出版社, 2006.