太阳能光伏支撑结构的研究进展与应用

陈 忱,方 海,陈祥喜,韩 娟

(1.南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 211800;2.江苏省防汛防旱抢险中心,江苏 南京 211500)

2020年,随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出,我国节能环保意识日益增强。2021年,中华人民共和国住房和城乡建设部等15部门提出绿色低碳建设的意见,提出充分利用、推广清洁能源。国际能源署认为“太阳能成为新的电力之王”[1]。在过去的10年里,光伏发电一直是世界上增长最快的发电来源。支撑结构是光伏组件的基础,直接影响光伏电站的运行安全和建设投资,良好的光伏支撑结构可以显著降低建设和维护成本,光伏支撑结构主要包括:屋顶和地面太阳能支架、水面漂浮系统(图1)。此外,为了满足经济性和安全性的要求,光伏支撑系统的优化设计一直是光伏工程领域的研究热点。目前,光伏支撑系统主要有3种类型:固定式、柔性和漂浮式光伏系统。固定安装光伏系统是传统的、应用最广泛的光伏系统,它们通常安装在地面和建筑屋顶上。地面光伏系统已广泛应用于大规模太阳能发电,支架常采用铝、钢等材料,但尚存在诸多弊端,容易受到气候及环境影响,在一些风速较大、日照充足且空气湿度大的地区,这种金属材料维护成本较高。纤维增强树脂基复合材料具有比强度/刚度高、耐候性优、可设计性强[2-5]等特性,替代金属材料组成光伏支架,具有施工快捷、综合成本低、耐腐蚀、寿命长、轻便安全等优势,已成为光伏支撑系统的发展趋势。

图1 屋顶、地面和水面光伏支撑结构Fig.1 Photovoltaic supporting structures of roof, ground and water surface

1 建筑光伏支撑系统

屋顶光伏组件安装在家用、工业或商业屋顶上,其中一些模块被视为建筑材料,例如安装在屋顶和外墙上。屋顶上的光伏系统不占用生产性土地,而且由于靠近用电系统,它们与电力系统的集成相对容易,屋顶上的太阳能光伏发电提高了能源系统的整体效率。现有的光伏支撑系统存在一些安全隐患(图2),光伏结构在遭受大风后,传统支撑系统(一般采用铝合金和镀锌钢材支架)出现较大且不可逆的塑性变形,导致光伏板脱落,屋顶光伏系统需要在不同屋顶上设计合适的连接方式(图3),可在一定程度上降低隐患。目前,屋顶光伏支撑系统多数采用支架方式,这种支架方式可以自由调节光伏板角度以达到最大的电能转化率;此外,这种方式安装简单,方便后期清洁维护。组件支架基础分为混凝土支墩配重法和预制混凝土压块法等[9]。王潇羽[10]从倾角、基础和组件布置3方面进行优化设计,这种支架优化方式在保证了发电量的同时,最大限度地提升了屋面利用率。宫宇飞等[11]将沙堆加载的试验值、有限元模拟值与设计模型计算值进行对比,结果表明:3种方式的位移和应变的误差均小于10%,说明提出的沙堆加载方式可在一定程度上与有限元模拟等效。徐悦等[12]通过数值模拟分析了单层铝合金光伏支架的抗风能力,结果表明:风压系数受光伏支撑系统安装位置和风向角影响较大。江继波等[13]研究了屋面光伏支撑系统所受风荷载受建筑周围遮挡物的影响规律。

图2 受台风破坏的传统光伏支撑系统[14]Fig.2 Traditional photovoltaic support system damaged by typhoon[14]

图3 建筑太阳能板安装示例Fig.3 Examples of solar panel installation

近年来,光伏建筑一体化更是我国政策和产业发展的方向。光伏建筑一体化技术是将太阳能电池与建筑材料复合在一起(图4),使其成为建筑构件的一部分[17-22]。光伏瓦采用我国传统建筑瓦片和西式平板瓦的统一模数,具有高强度、低密度、长寿命、低吸水率、抗紫外线辐射、防腐蚀性强的特点,用坡型屋面太阳能电力发电,可以实现建筑冬暖夏凉、长期保持屋面整洁,同时可产生建筑需要的充足电力。

图4 光伏建筑一体化案例Fig.4 Examples of photovoltaic building integration

2 地面光伏支撑系统

地面光伏不依赖于周围环境,在沙漠、草原、山地和海滩均可建造。常规的地面光伏支架按基础类型分类有:螺旋桩、灌注桩、混凝土管桩、柔性拉索地、固定季节可调地面光伏支架等。螺旋桩地面光伏支架的可调节性高。灌注桩地面光伏支架采用机械化成孔,施工方便,人工用量较少,对地表土破坏及扰动小,可穿透坚硬的土层,基础顶面标高可以调节,可适应地形起伏变化。由于支架所采用的灌注桩基础桩径较小,需满足成孔过程中不塌孔的条件,不适用于软弱土、松散砂土、碎石土和地下水位较高的场地。与固定式支架相比,采用柔性支架有显著的优势,柔性支架拥有更大的空间利用率与更强的抗风能力。固定季节可调地面光伏支架可以根据季节变化随意调整倾斜角度和跨距,可以保证光伏所受辐射量保持在最大值,可直接提升光伏系统的发电量。

Jubayer等[25]采用数值方法研究了不同风向的风对地面独立光伏系统的影响,结果表明:在4个不同的风向下,最大风荷载都出现在前缘附近。Abiola等[26]在风洞中对由24块光伏电池板组成的光伏组件上下表面的压力场进行了4种不同风向的实验研究,结果表明:在迎风(0°和180°)作用下,光伏电池板表面的压力分布呈中心对称,在其他风向下不对称。在大型光伏组件中不可避免的面板间隙会影响组件的表面压力场。正如预期的那样,光伏电池板表面的压力随着其倾角的增大而增大。研究还发现,在平坦风场下,光伏组件上的平均压力比在开阔地面风场下的平均压力要高。面板间隙对组件表面压力场有一定的影响,尤其是暴露在直风中的组件,但组件的相对风向也会影响表面压力场。Jubayer等[27]提供了与阵列周围的风场相关的阵列上的风荷载详细分析,结果表明:对于0°和180°风向,第3排的风荷载(升力、阻力和力矩)最小,而对于45°和135°风向,第2和4排遇到的风荷载(升力和阻力)最小。对于第2～5排,斜风(45°和135°)的风荷载(升力和阻力)高于直风(0°和180°)的风荷载。就最大倾覆力矩而言,45°和135°风向最为关键,每排的倾覆力矩系数相近。蔚博琛等[28]利用数值模拟研究了支座沉降对光伏支撑系统的影响,结果表明:光伏支撑系统中地质条件及基础形式对光伏支架受力有较大影响,一旦发生支座沉降,光伏支架内力显著增大。唐俊福等[29]对比了3种柔性支架的性能,结果表明:地质条件良好条件下可采用斜拉索柔性支架,其承载能力优于其他结构。王东等[30]采用数值模拟与试验相结合的方法得出光伏系统所受风荷载影响规律。He等[31]采用有限元方法,对新型缆索支撑光伏系统(图5)的振型、模态频率和非线性结构刚度等结构特性进行了数值研究,结果表明:扭转位移和扭转刚度的增大有利于新光伏系统的稳定性,该系统具有较强的承载能力和较高的应用潜力。在相同的预张力条件下,新型缆索支撑光伏系统的垂跨比仅为传统光伏系统的7.9%;此外,新型缆索支撑光伏系统比传统光伏系统具有更大的跨度,缆索的预张力和直径是影响新型缆索支撑光伏系统极限承载力的主要因素。

图5 缆索支撑光伏系统[31]Fig.5 Cable supported photovoltaic system[31]

盐碱地或近海区域的光伏支架常常位于热带或亚热带区域(图6),需抵御潮湿、盐碱化的自然条件,光伏支架立柱腐蚀问题严重。针对光伏支架导电、易锈蚀、质量大等问题,南京工业大学先进工程复合材料研究中心开发了一种以多轴向纤维增强树脂基复合材料拉挤型材为受力构件的轻量化光伏支架(图7),这种支架可大幅降低维护成本、抗腐蚀性强、易安装,并且可以很好弥补金属支架的不足,为光伏电站建设提供生态环保的绿色建材。

纤维增强复合材料与传统结构材料相比,属低能耗材,其大范围推广应用为光伏电站建设领域节能减排提供了有效途径;解决了目前支撑使用寿命无法与光伏电站全生命周期相匹配的难题;为光伏电站建设提供可工业化制造、可设计性更强的装配式结构。根据工程需要,可设计并制造各种形状、尺寸和体量的构件和结构,运输方便,现场拼装简单快捷。此外,玻璃纤维增强树脂基复合材料表现出优异的轴向拉伸性能[32],并且其固有的平面内材料刚度不足,可通过空间结构补偿。

冯鹏等[33]研究了纤维增强复合材料人行天桥的结构设计方法和设计指标,分析了大截面纤维增强复合材料拉挤型材斜拉桥的受力性能,结果表明:该斜拉桥的承载力满足设计需求,变形与振动为其关键设计参数。柏宇等[34]针对玻璃纤维增强复合材料型材桁架人行桥开展动力性能研究,结果表明:复合材料型材的动力性能及耐久性优异,组成的空间结构能够很好满足承载力要求。Bai等[35]提出了一种新的方法,解释了脆性线弹性纤维增强复合材料结构的非线性大变形能力,这种性能在结构层面上是通过在压缩中对某些结构部件进行后屈曲来实现的,在此过程中,变形显著增大,而不会损失承载能力,直至达到材料强度,并且在去除外加荷载后,后屈曲过程中的大变形可以恢复;此外,利用该方法得到的非线性大变形能力与材料的延性无关。Zhang等[36]设计了一种纤维增强复合材料-铝组合空间桁架结构,试验结果表明:提出的纤维增强复合材料-铝组合空间桁架桥,在极限状态荷载水平下,力学性能呈线性,并且其结构抗弯性能良好。孙慧明等[37]提出了一种新型纤维增强复合材料桁架桥,静载试验表明:该桁架桥具有较高的刚度与承载力。Yang等[38]对玻璃纤维增强复合材料组成的空间网架结构进行了疲劳试验,结果表明:施加的疲劳没有降低结构构件和连接强度。张冬冬等[39]提出一种新型纤维增强复合材料-金属组合空间桁架结构,并进行静载与车载试验,测试其弯曲性能与最大承载力,结果表明:该结构能够充分发挥纤维增强复合材料圆管的单向力学性能。由此可见,由纤维增强复合材料组成的空间结构具有良好的安全储备,完全可设计为光伏支撑结构。

图6 近海区域的光伏支架立柱[40]Fig.6 Photovoltaic support column in offshore area[40]

图7 复合材料拉挤型材光伏支架Fig.7 Composite extruded profile photovoltaic support

3 水面光伏支撑系统

中国光资源丰富的西北地区并非用电负荷中心,且存在弃光率较高问题,而用电负荷程度极大的东部和南部等地区可供建设地面光伏发电系统的土地资源较少,难以实现地面光伏发电系统的大规模发展。除此之外,目前国内还存在着许多离网运行且装机容量较小的鱼塘光伏发电系统和光伏大棚。然而,上述光伏发电系统均存在着发电规模受限和发展不稳定因素较多等问题。因此,为解决地面光伏发电系统土地资源需求及发展规模受限等问题,基于我国具有的广阔水域面积,水面光伏发电系统已受到越来越多的关注,并将成为有效克服上述诸多发展难题的重要途径。

水面漂浮式光伏发电系统是近些年发展起来的一种新型的光伏电站应用形式,目前在市场上还未得到大范围的推广和应用。由于水面光伏发电系统几乎适用于海洋、湖泊、河流等所有类型的水域环境[41],可节省大量土地资源;同时,水面光伏发电系统还可节省大量的土建工作,有效地缩短水面光伏电站项目的施工安装周期;此外,水面光伏发电系统覆盖的水域面积较大,能够减少水域的蒸发量,从而起到抑制藻类生长和保护水域环境的作用,因此水面光伏发电系统具有较高的研究价值和较好的应用前景。

水面光伏系统通过浮体承载上部结构,并通过锚索结构固定于岸边和水底[38]。传统水面漂浮式光伏浮体结构有混凝土桩柱架高式支架、高密度聚乙烯(HDPE)塑料浮筒支架、混凝土浮箱支架、薄壁金属浮箱支架等,存在耐候性较差、使用寿命短、维护成本高、抗风浪性能差等不足。

Aly[42]研究了几何尺度和入流湍流特性作为高不确定性的潜在原因,采用的计算流体力学模拟可作为全尺度模拟风荷载的补充工具,并将模拟结果与现有的风洞数据进行了比较,结果表明:尺寸效应是造成风荷载峰值差异的主要原因,采用适当的入流湍流和合适的测试方案可以避免这种差异。陶铁铃等[43]提出了一种新型水面光伏组件支撑,如图8所示。田纵横等[44]采用莆田-鹤地水库波浪要素计算公式,得到了水面光伏浮体在波浪作用下的6种危险波工况。金乾等[45]提出一种新型异径浮管式水面光伏漂浮系统,该系统亲水性好、耐老化。唐湘茜等[46]研发了一种插拔式水面光伏漂浮系统,并应用于各地光伏发电工程,如广西桂冠岩滩水光互补光伏发电工程(图9),解决了现有光伏浮体亲水性差、影响水下生态等难题。

图8 立体限位式水面光伏组件支撑[43]Fig.8 Three-dimensional limited water surface photovoltaic module support[43]

图9 水面光伏应用案例[45]Fig.9 Application cases of water surface photovoltaic[45]

水面漂浮式光伏发电系统上部结构固定于浮体之上,浮体为上部结构提供足够的浮力,同时也可以避免由风、浪、流作用所引起的荷载传递至光伏组件,而导致光伏组件的损坏。浮体之间主要采用销栓连接,过道平台也可以起到连接浮体的作用。塑料浮体易于加工、可回收利用、初期建造成本较低,使得光伏电站项目的前期投资相对较低,可以得到较好地推广和应用;但是,由于塑料本身存在着耐腐蚀性能差的特点,使得塑料浮体的使用寿命难以得到保证,项目的后期维护费用相对较高,严重影响光伏电站项目的整体经济性,实际上传统塑料浮体使用寿命最长仅为10～15年左右。

肖福勤等[47]为漂浮式光伏电站的风、浪、流等多种环境荷载下的数值预报提供了方法。Han等[48]提出了一种用于光伏发电的新型自浮式纤维增强复合材料结构(图10),主要结构构件:主梁采用玻璃钢复合管体系,次梁采用镀锌钢矩形空心截面组成浮式平台,顶部设有无轨支撑架,通过实验研究了不同纤维铺层复合材料对主梁力学性能的影响;同时,基于双向流固耦合数值模拟方法研究了该浮体系统的水动力特性(图11),并对所提出的纤维增强复合材料结构在一定水环境下的功能性和结构安全性进行评估,为建设具有独特耐蚀性优势的复合材料浮式光伏电站提供了一种解决方案。杨晨等[49-50]通过复合浮体系统的受力试验与模拟,测试了该浮体结构抵御风、浪、流作用的能力,结果表明:此结构既节省材料,又方便组装,能够有效抵御风、浪组合作用。根据目前的实践经验,这种复合结构独特的耐蚀性和轻质高强优势有助于节约成本,在水环境中的服役寿命较长。

图10 自浮式纤维增强复合材料结构[48] Fig.10 Floating fiber reinforced polymer composite structure[48]

图11 水面光伏浮体流固耦合模拟[48]Fig.11 Fluid-solid coupling simulation of water surface photovoltaic floating body[48]

4 结论与展望

纤维增强树脂基复合材料为光伏支撑系统领域带来了大量新的机遇与挑战,开发新型支撑结构及采用新型材料制备光伏支撑系统刻不容缓。本文对传统材料及复合材料光伏支撑系统在光伏领域中的研究与应用进行了介绍,结论与展望如下:

1)与传统结构材料相比,纤维增强复合材料属于低能耗材料,并且其在湿热地区的抗腐蚀能力优于传统钢构件,其推广应用可为光伏电站建设领域的节能减碳提供有效途径,可解决目前光伏支撑结构的使用寿命无法与光伏电站全生命周期相匹配的难题。

2)地面及屋面光伏支撑系统所受风荷载较大,而光伏阵列中第一排光伏支撑结构所受荷载通常高于其他排,因此可在第一排光伏支撑结构中采用大截面复合材料型材,并对后排光伏支撑结构进行适当优化,可满足力学性能要求,并降低成本。此外,在风、雪及地震荷载下需对关键连接节点进行受力分析,并开展足尺光伏支撑系统风洞力学性能试验研究,还需长期监控复合材料光伏支架在组合荷载下的蠕变、疲劳和耐久性能。

3)对于水面光伏浮体结构,需开展其在波流与风荷载联合作用下的力学性能研究,不断完善纤维增强树脂基复合材料浮体支撑结构的设计方法,并开拓纤维增强树脂基复合材料在近海漂浮式光伏系统中的研发与应用,从而设计出低成本、安全可靠的水面光伏浮体支撑结构。