太阳能光伏柔性支架体系研究

刘兴佳 崔国桥 于 恺 王硕禾

（1．河北鲲能电力工程咨询有限公司，河北 石家庄 050000；2．河北省分布式能源应用技术创新中心，河北 石家庄 050000）

0 前言

随着国家对环境问题的重视，以太阳能为代表的新能源项目日益增多。

我国太阳能资源丰富，太阳能光伏发电已经成为开发利用绿色能源的重要组成部分[1]。由于以前的太阳能光伏发电支架不能适应各种复杂的环境，而且造价较高。因此，研究一种造价更低、适应性更好、受力更加合理的光伏支架迫在眉睫。基于此，该文提出了一种新型的太阳能光伏柔性支架，可有效地解决此问题。图1 为某太阳能光伏百米跨越柔性支架整体效果图。

图1 太阳能光伏百米跨越柔性支架

1 我国太阳能资源

我国太阳能资源丰富，杜祥琬[3]将对我国的太阳能资源划分为4 部分。1）最丰富带，占国土面积17.4%，主要集中在西藏、新疆南部、甘肃和青海等地区。2）很丰富带，占国土面积42.7%，主要集中在新疆大部、宁夏、云南、河北、内蒙古东部和四川西部等地区。3）丰富带，占国土面积36.3%，主要集中在浙江、湖南、湖北、广西和台湾等地区。4）一般带，占国土面积3.6%，主要集中在四川中部、湖南西北部、贵州北部。丰富的太阳能资源为我国开发利用太阳能创造了有利条件，光伏发电是当今开发利用太阳能资源的最有效形式。

2 传统太阳能光伏支架

随着国家对太阳能光伏发电支持力度的加大，太阳能光伏发电越来越受到企业的青睐，安全、经济的光伏支撑系统是设计师关注的重点。图2 为传统光伏底部支撑系统。传统光伏支架设计比较简单，受力分析容易。虽然这种形式的支架仍然被采用，但是它有很多缺点，例如钢材耗量大、占地面积大、造价高等。而且这种形式的支架不能适应复杂的地形，因此太阳能光伏柔性支架取代传统支架变的越来越普遍。

图2 传统太阳能光伏支架

3 柔性太阳能光伏支架

3.1 柔性支架介绍

太阳能光伏柔性支架即为在成排的钢索上安装光伏板，钢索两端由刚性支撑连接。同时为了减少两端顶部支撑的弯矩，支撑两端多采用外部张拉斜拉索或者内部刚性斜支撑[4-5]。

索（钢绞线）作为一种主要承重构件，柔性大、质量轻、刚度大。预应力为其提供了足够大的刚度。索结构有如下特点。1）只能承受拉力，不能承受压力。2）索的刚度主要来源于几何刚度，主要由预应力提供。3）绷紧状态呈现线性特征，其余状态呈非线性特征。4）索会产生应力松弛和损失。

3.2 柔性支架的优点

由于索主要受拉的特点，其材料强度可被充分发挥，柔性太阳能光伏支架成为设计师的首选。1）跨度大且跨度范围灵活可调。2）土地空间利用率最大化。3）操作方式灵活，通风性能好，发电效率高。4）相比传统光伏支架，柔性光伏支架抗裂性能好。5）用钢材量少，承重小，造价低。6）场地基础要求小，预装性强，大大缩短了施工周期。

3.3 柔性支架适用范围

太阳能柔性支架灵活可调、占地面积小的特点，使其具有广泛的应用范围。滩涂、渔塘、污水厂、复杂山地、荒坡和水池等复杂地形都可利用，并且在国家大力倡导渔光互补（图3）、农光互补（图4）的前提下，柔性光伏支架具有广阔的应用前景。表1 给出了各类光伏支架的应用范围。

3.4 柔性支架结构体系

柔性光伏支架结构体系分为2 个部分：柔性系统和支架系统。柔性系统由预应力悬索、稳定索、组件固定夹具、光伏组件等构成；支架系统由基础（包括独立基础、桩基础）、钢立柱、钢梁、支撑体系（包括斜拉索、斜支撑）等构成（图5）。

根据太阳能光伏支架受力特点，通常在两侧设置斜拉杆（索）和斜支撑。当光伏组件受到风荷载或者雪荷载作用时，拉索受力变形，钢立柱抵抗竖直方向的力，斜拉索或者斜支撑抵抗水平方向的力[6]。图6 和图7 分别为设置斜拉索和斜支撑的柔性光伏支架结构。

对于污水处理厂光伏电站，由于跨度比较大，通常在钢立柱和中间支柱之间再设置钢桁架，减小跨度，从而减小挠度。对于山坡复杂地形，通常顺应山体坡度设置斜拉索（钢绞线），然后铺设光伏组件，不仅利用了天然地势条件，而且也达到美观的效果[7]。

图3 渔光互补

图4 农光互补

4 结语

图5 柔性光伏支架系统分解

表1 太阳能光伏支架应用范围比较

图6 斜拉索柔性光伏支架结构

图7 斜支撑柔性光伏支架结构

太阳能光伏发电能有效的利用太阳能资源，对于结构工程师而言，设计安全、经济的支撑系统是其考虑的重点。太阳能光伏柔性支架能够适应恶劣环境和复杂的地形条件，具有广阔的应用前景。但是柔性支架抗风方面存在诸多问题，是科研工作者需要重点关注的，也是设计人员所关心的。未来随着更多科研力量的加入，太阳能光伏柔性支架也必将推动光伏产业向着安全、经济、耐久的方向发展。