光伏电站支架连接节点探讨

■ 买发军 白荣丽 吕丹

(1.特变电工新疆新能源股份有限公司；2.中国船舶重工集团西安第七O五研究所海源测控技术有限公司)

0 引言

伴随光伏发电电池组件的应用发展，光伏组件固定支架从设计、生产到安装均已向正规化、规模化方向发展[1]。然而，随着光伏支架安装规模不断扩大，支架连接节点处零件损坏从而导致电池组件发生脱落的事故频繁发生。本文以光伏电站工程案例为基准，从设计角度出发，以荒漠电站光伏支架连接节点为研究对象对比分析，比较得出较优连接节点安装方案，确保光伏组件支架的安全、可靠。

1 项目概述

1.1 项目背景

柳树泉100 MWp并网光伏电站项目位于新疆自治区哈密市西北约60 km的戈壁滩上。场址区域位于东经 92°53′57.82′～96°56′42.64′、北纬 42°08′10.76′～43°07′44.72′之间，用地面积2980262.29 m2。总体呈矩形布置，南北长约800 m，东西长3725.34 m，拟建场址区地形平缓开阔，地势平坦，地表由灰黑色棱角碎石覆盖，呈戈壁景观，有少量耐旱植被生长，海拔高程在938～987 m之间。场址区以南约3 km 为连霍高速G30，以西约2 km 分布有简易公路，交通较为便利。哈密市深处内陆，属典型的温带大陆性干旱气候，气候干燥，雨量少而集中，蒸发强烈，冬冷夏热，气温日差较大；日照时间长，光能丰富；无霜期短，冬春季风沙天气较多。年均气温10.3 ℃，极端高温43.2 ℃，极端低温-28.9 ℃；年均风速1.5 m/s；年平均降水量42.7 mm；多年平均日照时数为3313.6 h，太阳能资源丰富，是建设光伏电站的理想场所。

1.2 主要技术参数

1)场地土类型为中硬土，建筑场地类别为Ⅱ类。

2)设计基本地震加速度值为0.10 g，抗震设防烈度为VII度；特征周期0.40 s。

3)设计基本风压：0.60 kN/m2；设计基本雪压：0.35 kN/m2。

4)标准冻土深度127 cm。

5)根据地勘资料显示，本次勘察结果8.0 m深度范围内未见地下水，因此设计时可不考虑地下水对基础的影响。

2 组件固定连接节点分析

多晶硅电池组件广泛应用于荒漠电站建设中[2]，由于组件本身结构形式的限制，现阶段组件与支架的固定形式主要有以下3种：螺栓固定、压块固定、压块与抱箍组合固定[3]。

2.1 螺栓固定连接节点分析

一般情况下，多晶硅电池组件边框上有4个φ9的安装孔，可通过M8的螺栓将光伏组件铝合金边框与支架檩条连接固定。图1为螺栓固定节点连接示意图。

图1 螺栓固定节点连接示意图

目前光伏行业竞争越来越激烈，致使组件厂家将组件价格压得越来越低，很多厂家为了在价格上显出优势，从原材料环节降低投入，逐渐将组件铝合金边框减薄。因此，在考虑采用螺栓固定的连接方式前，必须保证厂家提供的光伏组件铝合金边框能够满足要求而不被撕裂，否则此种连接方式将存在很大的安全隐患，不建议采用此种连接方式。图2为螺栓固定方式组件边框撕裂示意图。

图2 螺栓固定方式组件边框撕裂示意图

2.2 压块固定连接节点分析

目前国内外应用比较广泛的压块形式有两种，一种是U型压块，一种是π型压块。这两种压块选用的材质为铝合金6063-T5，成本低廉、安装简便，因此广泛应用于光伏各项目中。图3为U型压块、π型压块安装示意图。

根据了解到的工程实际情况，大部分支架厂家对其提供的压块承载力并不是很了解，在风速较大地区和风速较小地区统一采用同一种规格的压块，存在非常大的安全隐患。对于一些风速较大的地区，如果采用U型压块和π型压块连接方式，一旦其中一块电池组件发生脱落，其他电池组件将会发生连续脱落的现象。图4为U型压块、π型压块安装方式组件脱落示意图。

图3 U型压块、π型压块安装示意图

图4 U型压块、π型压块安装方式组件脱落示意图

2.2.1 U型压块有限元分析

基本参数：单位mm；材质为铝合金6063-T5，质量 0.03045 kg，体积 1.12782×10-5m³；设计基本风压为0.60 kN/m2；设计基本雪压为0.35 kN/m2。

U型压块有限元模拟计算如图5所示。

通过U型压块有限元分析计算，单个压块的设计承载力为0.5 kN。可取单个U型压块的承载力设计值为50 kg，即0.5 kN。

2.2.2 π型压块有限元分析

基本参数：单位mm；材质为铝合金6063-T5，质量 0.03265 kg，体积 1.20928×10-5m3；设计基本风压为0.60 kN/m2；设计基本雪压：0.35 kN/m2。

图5 U型压块有限元模拟计算示意图

π型压块有限元模拟计算如图6所示。

图6 π型压块有限元模拟计算示意图

通过π型压块有限元分析计算，单个压块的设计承载力为0.5 kN。可取单个π型压块的承载力设计值为50 kg，即0.5 kN。

鉴于上述连接方式存在组件连续脱落的安全隐患，部分支架厂家通过优化设计，采用改进后的TT型压块。此种压块在设计时将下端距支架结构的距离设计为2 mm，如果一组支架中有1块电池组件脱落，压块的“两条腿”将发挥其作用，支撑在檩条上表面，不至于发生组件连环脱落的现象。因此，在风速较大的地区，建议采用TT型压块。图7为TT型压块安装方式示意图。

图7 TT型压块安装方式示意图

2.2.3 TT型压块有限元分析

基本参数：单位mm；材质为铝合金6063-T5，质量 0.0546 kg，体积 2.02258×10-5m3；设计基本风压为0.60 kN/m2；设计基本雪压为0.35 kN/m2。

TT型压块有限元模拟计算如图8所示。

图8 TT型压块有限元模拟计算示意图

通过TT型压块有限元分析计算，单个压块的设计承载力为2.0 kN。可取单个TT型压块的承载力设计值为100 kg，即1.0 kN。

2.2.4 单块组件压块连接点受力分析

柳树泉100 MWp项目位于哈密地区，根据GB 5009-2012《建筑结构荷载规范》[4]，哈密地区50年一遇的基本风压为0.60 kN/m2。

由于组件背风面受到的风荷载最大，以1块组件为研究对象，计算每块组件背风面受到的力。根据GB 5009-2012《建筑结构荷载规范》中公式8.1.1-1：

式中，βz为高度Z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压，kN/m2。

经计算，wk=1.0×1.3×1.0×0.6=0.78 kN/m2。

单块电池组件尺寸长为1.956 m，宽为0.992 m。因此，单块组件最大受力为0.78×1.956×0.992=1.513 kN。单块组件由4个压块固定，所以单个压块的最大受力为N=1.513/4=0.378 kN。

根据实际受力分析，单个压块的受力为0.378 kN，而单个压块的设计承载力分别为 U型压块0.5 kN、π型压块0.5 kN、TT型压块1.0 kN，均大于实际受力0.378 kN，满足要求。综上所述，采用TT型压块固定组件更为可靠。

然而对于一些风速特别大的地区，以40 m/s的风速计算，单个压块的最大受力为0.6985 kN。若采用U型压块或π型压块， 最大设计承载力为0.5 kN，不能满足要求；若采用TT型压块，最大设计承载力为1.0 kN，能够满足要求。但为了规避一些不可预见的风险，通常在风速特别大的地区，采用TT型压块与抱箍组合固定的连接方式。虽然此种连接方式连接件的成本较高，但就光伏电站支架的安全性与经济性的矛盾而言，安全性是第一位。因此，通过对比分析，采用TT型压块与抱箍组合固定的连接方式可作为一种优选方案供支架设计选用。图9为压块与抱箍组合固定连接方式示意图。

图9 压块与抱箍组合固定连接方式示意图

3 结束语

综上所述，组件与支架连接节点处，主要是由于不同地区风速差异较大但选用的连接方式基本相同，未进行针对性设计，导致组件脱落现象发生。通过上述对比分析可看出，压块与抱箍组合的固定方式连接可靠性最好，但连接件成本及安装费用相对其他两种方式偏高。因此，光伏电站设计中应综合考虑安全、成本等各方面原因，根据项目现场实际情况合理选择组件固定方式，在保证组件固定安全可靠的前提下，达到成本最优的目的。另外，由于组件铝边框的撕裂导致组件脱落对光伏电站影响也较大，因此，不同地区光伏电站在进行组件设计选型时，应酌情考虑组件边框的抗风强度应达到当地风压要求。

[1]GB 50797-2012，光伏发电站设计规范[S].

[2]GB 50794-2012，光伏发电站施工规范[S].

[3]GB 50017-2012，钢结构设计规范[S].

[4]GB 5009-2012，筑结构荷载规范[S].