STAAD CHINA在光伏支架优化设计中的应用研究

代兵

摘 要：在太阳能光伏发电项目中，光伏支架是最主要的构筑物，使用三维结构分析软件完成光伏支架结构分析，与平面计算相比，更符合结构实际受力，计算结果更加精确。本文结合实际工程，从设计角度出发，浅析应用STAAD CHINA进行光伏支架优化设计的一般过程和要点，对类似工程提供借鉴。

关键词：光伏支架；三维；优化设计

在光伏支架设计中，如何实现光伏支架在满足强度、刚度和稳定性条件下尽量的节省钢材，是光伏支架设计中面临的关键问题。以往的光伏支架设计和优化，光伏支架通常被简化为平面模型进行分析和计算，这种简化使计算变得简单、高效，但忽略支架间的相互作用，计算结果偏于保守。随着STAAD CHINA等三维分析软件的发展，光伏支架采用三维分析软件进行计算的工程越来越多，与平面计算相比，三维计算更加符合结构实际受力性能，实现结构精细化设计且可以节省材料。本文拟结合青海省某光伏园区内的实际项目，浅谈STAAD CHINA在光伏支架优化设计中的应用。STAAD CHINA是美国BENTLEY公司开发的一款三维有限元结构分析与设计软件，其包含STAAD.PRO和SSDD。本文先应用STAAD.PRO进行建模和结构受力分析，然后应用SSDD对支架结构进行规范检验和优化。

1 项目主要设计条件和结构尺寸

1.1 主要设计条件如下

结构设计使用年限为25年，结构的重要性系数：1.0；基本风压 ：0.31KN/m2；基本雪压 ：0.14KN/m2；光伏板自重 ：0.12KN/m2，光伏板尺寸：长 ，宽 ；地震基本烈度：8度，地震加速度：0.20g。

1.2 主要结构尺寸

光伏支架主要结构尺寸详见图1和图2

图1 光伏组件平面布置图

2 建模

光伏支架建模一般可按以下步骤进行：输入结构的几何模型，软件提供了强大的建模工具，包括平移、复制、转动、镜像等绘图工具；定义杆件截面特性；输入杆件的材料特性和几何常数；支座及杆件特性定义。图3为依据上述步骤，建立的光伏支架三维结构模型。

图2 光伏支架侧视图

图3光伏支架三维结构模型

3 荷载

3.1 恒荷载

光伏支架自重。光伏支架自重通过软件模型直接加载；光伏组件自重。光伏组件自重简化为均布线荷载加载到组件支架檩条上，方向垂直向下。光伏板自重：

G=g0×L/2=0.12×1.66/2=0.1kN/m ；

3.2 风荷载

光伏支架本身承受的风荷载较小，可忽略不计。太阳能电池板的风荷载简化为均布线荷载作用到光伏支架檩条上。目前，光伏支架风荷载计算模型尚存争议，本文风荷载依据较为成熟的日本光伏支架风荷载模型计算。设计风压：

；

为风荷载高度修正系数， 。

h为光伏支架距离地面高度；h0为基准高度，通常去10米；n为高度修正因子，本工程取5。

I为用途系数，其是与太阳能光伏发电系统重要程度相对应的系数，本工程取1。

J 为环境系数，本工程使用场地较为平整，因此环境系数取1.15。

顺风风荷载：

；

逆风风荷载：

；

为风力系数，顺风 ，逆风 ，其中 为光伏支架倾角。

3.3 雪荷载

太阳能电池板的雪荷载简化为均布线荷载加载到光伏支架檩条上。

依据《建筑结构荷载规范》，设计雪荷载：

；

为积雪分布系数，本工程取0.5。

雪荷载：

。

3.4 地震荷载

地震荷载加载前须利用软件自带的地震模块，对地震荷载进行定义，然后通过软件地震模块直接加载。

3.5 荷载组合

依据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》，本次结构计算包括以下荷载组合：1.2恒荷载 + 1.4顺风荷载；1.0恒荷载 - 1.4逆风荷载；1.2恒荷载 + 1.3地震荷载；1.2恒荷载 + 1.4雪荷载 + 0.6 x 1.4顺风荷载；

4 内力分析

软件提供2种分析引擎：一是STAAD分析引擎，用于一般用途的结构分析和设计；二是STARDYNE高级分析引擎，用于高级结构模型分析。光伏支架采用前者进行分析即可满足要求。模型分析后，在软件的后处理分项页可以查看分析结果，包括节点位移、反力；梁单元内力、应力等。

4.1 规范检验

利用SSDD对光伏支架杆件进行内力和位移检验，检验结果详见图4和图5。检验结果显示光伏支架在各种荷载工况下，构件应力均小于设计值，构件变形和位移也满足规范要求，结构安全。不过检验结果也显示，支架的斜撑、斜梁和后立柱处出现了许多过于安全构件（软件默认为应力小于0.30的构件），例如，后立柱的最小应力比仅为0.04。

图4光伏支架构件应力比

图5光伏支架构件位移变形图

4.2 光伏支架优化

主要的优化对象是规范检验中出现的过于安全构件，基本优化原理是：在确保支架安全的前提下，通过减小构件截面尺寸，提高构件的应力比。优化后光伏支架构件应力比详见图6，优化后构件的最大应力比均大于0.30。表1为优化前后光伏支架主要构件截面和应力对比表，优化后组件支架1MWp的钢材用量也由60.21吨降低为48.4吨。以20MWp的光伏发电项目为例，优化后将节省费用约190万元。

图6优化后光伏支架构件应力比

表1 优化前后光伏支架主要构件对比表

5 结语

根据以往工程经验，只要支架模型和实际基本相符，荷载和荷载组合输入正确，STAAD CHINA内力分析结果还是比较符合实际的。但进行普通钢结构规范检验时，若构件参数选用了缺省值或选用不当，则构件截面设计和优化结果可能有误。建议构件参数的选用上，应严格参照有关规范的规定选取。

参考文献：

[1] 贺广零，蒋华庆，单建东，等.光伏方阵风荷载模型研究[J].电力建设.2012（10）：5-8.

[2] 陈源.光伏支架结构优化设计研究[J].电气应用.2013（17）：76-80.