降低地面光伏电站的光伏组件支架成本探析

叶　筱

(中国能源建设集团安徽省电力设计院， 安徽　合肥　230601)

1　引言

随着近年光伏的大力开发，可利用建设光伏的土地越来越紧缺，光伏电站逐渐向滩涂、河堤、水面、山地等发展。2013～2015年安徽省内地面光伏项目中，建设在河堤上光伏电站的数量占比逐年递增。如何降低地面河堤光伏电站光伏组件支架成本成为一个亟待解决的问题。

2　现状调查

光伏支架的上部结构必须满足强度、稳定性及刚度的要求[1]。光伏支架的上部结构形式直接影响支架结构中各个构件受力状态，最终决定各构件的截面型号，各构件的重量决定光伏支架的上部结构重量。支架上部结构的钢材量为支架成本的重要组成部分[2]。

目前常见的支架结构形式有：管桩结构(如图1)、钢管柱结构(如图2、图4)、灌注桩柱结构(如图3)等。

图1　管桩单立柱结构　　　　　图2　钢管柱双立柱结构

图3　灌注桩双立柱结构　　　　　图4　条形基础双立柱结构

3　改进方案

针对现阶段支架成本过高的问题[3]，笔者采用“分散支架承载力，单柱支架改为双柱支架”的方案降低光伏支架的成本，对其结构特点进行分析，并通过midas有限元计算软件对改进方案进行前后对比。

3.1　输入计算荷载和组合

(1)荷载标准值

①恒载D。组件板重19.5kg，夹角26°转换为重力方向荷载：D=0.13kN/m2

②活载L。板面活荷载标准值：0.3kN/m2(对刚架)0.5kN/m2(对檩条)

③风荷载W。按规范，计算直接承受风压的电池板考虑风荷载体型系数1.3[4]。

最终确定的25年一遇风荷载标准值为:

wk=βgμsμzw0=1.0×1.3×0.28=0.48kN/m2

④雪荷载。雪荷载标准值为：S=0.33kN/m2。

⑤抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05g。

(2)基本荷载组合

挠度控制：D+L;D+W正；D+W负；D+W正+0.7L;D+W负+0.7L。

强度控制：1.2D+1.4L；1.2D+1.4W正；1.2D+1.4W负；

1.2D+1.4W正+1.4×0.7L；1.2D+1.4W负+1.4×0.7L。

3.2　单柱钢支架结构分析

3.2.1单柱钢支架结构系统简介

对单立柱光伏支架进行建模计算分析[5]，分别作出光伏支架正视图(如图5)，光伏支架布置图(如图6)，光伏支架侧视图(如图7)，计算模型如下：

图5　光伏支架正视图

图6　光伏支架布置图　　　图7　光伏支架侧视图

计算结果：节点反力—本工程风荷载为控制荷载，取标准组合支座反力值，如图8为光伏支架节点反力布置图，图9为光伏支架风压变形图。

图8　光伏支架节点反力布置图　　图9　光伏支架风压变形图　　图10　光伏支架风吸变形图

图11　光伏支架钢材应力比折线图　　　　　图12　光伏支架结构图

如图10为光伏支架风吸变形图的计算模型，图11为光伏支架钢材应力比折线图，由以上两图知，在风荷载作用下柱顶水平位移最大值U1=10mm，1/210<1/60，钢结构应力比均小于1，强度满足要求。

计算后的光伏支架结构图如图12，并统计工程量如表1。

表1　单柱光伏支架工程量

由上面的计算结果知，虽然单柱结构满足结构承载力要求，但分析工程量数据知，用钢量较大，因此改进了单立柱的方案，并用MIDAS软件继续进行建模分析。

3.3　改进后的双柱支架

对单立柱光伏支架改为双立柱支架，分别作出改进后的光伏支架正视图(如图13)，改进后的光伏支架侧视图(如图14)，改进后的光伏支架布置图(如图15)，计算模型如下：

对单立柱光伏支架改为双立柱支架，并对其进行建模计算分析：

图13　改进后的光伏支架正视图

图14　改进后的光伏支架侧视图 　　 　　　　图15　改进后的光伏支架布置图

计算结果：

节点反力—本工程风荷载为控制荷载，取标准组合支座反力值，图16为改进后的光伏支架节点反力布置图，图17为改进后的光伏支架风压变形图。

图16　改进后的光伏支架节点反力布置图 　　　　　　图17　改进后的光伏支架风压变形图

　图18　改进后的光伏支架风吸变形图　　　　　图19　改进后的光伏支架钢材应力比折线图

如图18为改进后的光伏支架风吸变形图，图19为改进后的光伏支架钢材应力比折线图，由以上两图知，在风荷载作用下柱顶水平位移最大值U1=5mm，1/500<1/60，较实施对策前位移值降低。改进后的光伏支架钢结构应力比均小于1，强度满足。

改进后的光伏支架结构图如图20，并统计工程量如表2。

针对单支架进行优化结构，具体结构见图20，分别为：(1)前立柱；(2)主横梁；(3)高立柱；(4)斜支撑；(5)柱间支撑；(6)檩条；(7)连接件。材料表中钢材共计724kg。

由表1和表2的工程量对比知，方案实施前后，用钢量显著降低，该改进方案有效。

图20　改进后的光伏支架结构图表2　改进后的光伏支架上部工程量

编号名称规格数量1前立柱ϕ76×3.072主横梁L75×50×673高立柱ϕ76×3.074斜支撑L40×475柱间支撑ϕ12圆钢46檩条C100×50×20×3.04合计钢材总重724kg

4　总结

针对河堤光伏电站，通过改进光伏支架形式，使光伏支架从单柱改进为双柱，不仅降低了河堤光伏电站支架的成本，而且优化了地面光伏电站支架的结构，有效提高了电站的经济性。

参考文献：

[1] 陈鹏.论光伏支架结构方案设计与选型[J].建筑工程技术与设计，2016(3):70.

[2] 陈艳,曹晓宁,兰云鹏,王小丽.大型光伏电站中不同支架方案比较分析[J].研究与开发，2013(8):16-19.

[3] 颉栋,颜鲁薪.固定式光伏支架设计[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2014(09).

[4] 吕宏伟,李新忠.太阳能光伏支架结构风载取值分析[J].西北水电，2012(05):12-13.

[5] 昝晓磊.某新建光伏发电项目光伏板支架基础设计选型[J].福建建材，2013(02):20-21.