清水池上部分布式光伏发电项目中固定式光伏支架的结构及基础设计

连秀云，董晓凯

(北京七星华电科技集团有限责任公司，北京100015)

0 引言

随着能源转型的日益推进，光伏发电作为一种重要的清洁能源生产方式日益受到重视，光伏电站的建设规模越来越大，光伏发电的应用场景也越来越多。在光伏发电系统中，光伏支架结构的稳定性对其安全高效运行存在重要作用。本文以北京市某自来水厂清水池上部的分布式光伏发电项目为研究对象，对应用于此项目的固定式光伏支架所受荷载进行了计算分析，利用有限元软件3D3S对该光伏支架的结构和基础进行了整体设计，以便于为此类分布式光伏发电项目的固定式光伏支架结构及基础的设计提供思路和方法。

1 项目概述

本研究中自来水厂的清水池全部埋于地下，分布式光伏发电项目是在清水池上部区域建设。为了减少光伏阵列的安装对清水池原结构产生的不利影响，在清除清水池上部的部分覆土后，安装薄板型混凝土预制桩基础，以便增大基础与清水池上部区域的作用面积，从而减少集中荷载[1]。

该项目采用的光伏组件的尺寸为1650 mm×991 mm×40 mm，采用竖向布置的方式，以2行10列的形式放置于1个光伏支架上。光伏支架的倾角采用33°；光伏支架由立柱、主梁、次梁及斜撑组成，1个光伏支架包括4榀，立柱间距为3100 mm，支架两端带500 mm的悬挑，次梁总长为10300 mm，主梁长度为2700 mm。

图1 光伏组件的排布方式Fig.1 Arrangement of PV modules

该项目中光伏支架的钢结构采用冷弯热镀锌C型钢，光伏支架结构的平面图及立面如图2所示。

2 荷载计算

本分布式光伏发电项目位于北京市，光伏支架结构荷载按25年重现期计算，结构重要性系数取0.95。

2.1 光伏组件的均布荷载计算

单块光伏组件的自重为20 kg，转化为均布荷载为0.1 kN/m。

2.2 光伏组件的风荷载标准值计算[2]

光伏支架的结构设计使用年限为25年。根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中的公式E.3.4，可计算得到重现期为R时光伏组件的年最大雪压或年最大风压xR，即：

式中，x10、x100分别为10年和100年的雪压值或风压值；R为重现期，年，本文取25。

利用式(1)可计算得到按25年重现期计算结构荷载时，光伏组件的最大风压w0=0.38 kN/m2，最大雪压s0=0.33 kN/m2。

当风荷载垂直于光伏组件表面时，可分别求解光伏组件正面和背面的风荷载标准值，其公式为：

式中，wk为风荷载标准值，kN/m2；βz为高度z处的风振系数，本文取1.0；μs为风荷载体型系数，其中，光伏组件正面的风荷载体型系数μs1取-1.4，光伏组件背面的风荷载体型系数μs2取1.4；μz为高度z处的风压高度变化系数，本文取1.0。

根据式(2)可计算得到，光伏组件正面的风荷载标准值wk1=-0.532 kN/m2，光伏组件背面的风荷载标准值wk2=0.532 kN/m2。

2.3 风力作用下光伏支架的均布荷载计算

风力作用下光伏支架的均布荷载F的计算式为：

式中，l为光伏组件的长度，m，本文取1.65。

根据式(3)可计算得到，在风吸力作用下，wk1为-0.532 kN/m2时光伏支架的均布荷载F1=-0.44 kN/m；在风压力作用下，wk2为0.532 kN/m2时光伏支架的均布荷载F2=0.44 kN/m。

2.4 光伏支架的雪荷载计算

本项目中的积雪分布系数按照单坡单跨屋面来取值，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，可得到光伏支架倾角为33°时光伏阵列的积雪分布系数μr取0.76，则雪荷载标准值S可表示为：

根据式(4)计算可得到，S=0.251 kN/m2。将该值简化为光伏支架次梁上的均布荷载S1，其计算式为：

根据式(5)可计算得到，S1=0.21 kN/m。

2.5 光伏支架的荷载组合

根据GB 50068-2018《建筑结构可靠性设计统一标准》，光伏支架计算过程中主要考虑以下荷载组合：

1)1.30恒载+1.50风压力；

2)1.30恒载+1.50风吸力；

3)1.30恒载+1.50雪荷载；

4)1.30恒载+1.50×0.60风压力+1.50雪荷载；

5)1.30恒载+1.50×0.60风吸力+1.50雪荷载；

6)1.30恒载+1.50风压力+1.50×0.70雪荷载；

7)1.30恒载+1.50风吸力+1.50×0.70雪荷载；

8)1.00恒载 + 1.50风压力；

9)1.00恒载+ 1.50风吸力。

3 建模分析

利用有限元软件3D3S对光伏支架进行建模分析。光伏支架采用的冷弯热镀锌C型钢的材质为Q235B，其中，光伏支架中主、次梁的规格均为62 mm×41 mm×2.5 mm；前、后立柱的规格均为φ60 mm×3 mm的钢管；斜支撑的规格为40 mm×4 mm的等边角钢。光伏支架模型简图如图3所示。

图3 光伏支架模型简图Fig.3 PV bracket model sketch

以风压力为例，对光伏支架模型的单元、节点施加相应的荷载并建模。在建模过程中需要注意的是：柱脚节点固接，立柱上端和斜撑两端需进行单元释放。风压力作用下光伏支架的受力模型如图4所示。

图4 风压力作用下光伏支架的受力模型Fig.4 Force model of PV bracket under wind pressure

在进行光伏支架的受力计算时，应按承载能力极限状态计算光伏支架结构和构件的强度、稳定性及连接强度，按正常使用极限状态计算光伏支架结构和构件的变形，这样可得到最不利内力。

光伏支架结构的最大位移组合和强度应力比如图5、图6所示。

图5 光伏支架结构的最大位移组合Fig.5 Maximum displacement combination of PV bracket structure

图6 光伏支架结构的强度应力比Fig.6 Strength to stress ratio of PV bracket structure

根据光伏支架结构的整体受力分析计算结果，按照GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中的要求，对光伏支架的结构体系进行验算。构件中，主要承重构件的受压容许长细比取180，而其他构件、支撑的受压容许长细比取220；主要受拉构件的容许长细比取350；柱顶位移比取1/60；主梁的挠度取L/250，L为跨距；次梁的挠度取L/200。经验算，本光伏支架所选用的材料参数可满足其结构要求。

4 光伏支架基础的设计

由于本分布式光伏发电项目所在地的特殊性，为保证清水池原有结构的安全性，本项目的光伏支架基础优先采用薄板型混凝土预制桩基础。

以光伏支架中单榀的2个立柱为例进行立柱的受力分析。根据受力分析结果，可得到立柱支座反力的最不利包络数据，如表1所示。

表1 立柱支座反力的最不利包络数据Table 1 Most unfavorable envelope data of column bearing reaction force

光伏支架基础上部附土时的填土重度可取20 kN/m3，根据上述数据，在基础上部附土的前提下，选用长度为2.2 m、高度为0.2 m、宽度为0.9 m的薄板型混凝土预制桩基础可满足光伏支架的受力要求。

5 结论

本文应用有限元软件3D3S，对建设于某自来水厂清水池上部的分布式光伏发电项目中采用的固定式光伏支架的结构及基础进行了受力计算，得到的结果可为此后应用于同类场景中的固定式光伏支架结构设计提供新的思路和参考，还可为后期进行光伏支架结构优化提供方便。本研究结果也可为光伏发电项目与自来水厂厂区内既有建筑相结合这一形式的广泛推广提供技术支持和保障。