标准化光伏支架型式试验方案

谷佳冰，胡保涛

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

高强耐候钢是屈服强度不低于690 MPa，通过在钢材中加入Cu、P、Cr、Ni 等合金元素，使钢材表面在大气环境下逐渐生成一层致密、具有保护性的保护层的钢材。

光伏支架结构须满足规范要求的25 年使用寿命，所以光伏支架结构必须牢固可靠，能承受如大气侵蚀、风荷载、雪荷载、光伏组件自身荷载和其他外部效应。目前各光伏支架及钢结构相关设计规范没有涵盖高强耐候钢材料的相关要求，需通过型式试验来验证高强耐候钢光伏支架的安全、稳定性。

1 光伏支架型式试验概述

为降低光伏支架的用钢量，且优化制作安装工艺，公司采用高强耐候钢作为主材进行光伏支架结构设计，根据JG/T 490－2016《太阳能光伏系统支架通用技术要求》要求，当原料、工艺有较大变化，可能影响产品质量时，需进行型式试验，试验内容包括：外观、尺寸偏差、材料壁厚、力学性能。本标准化试验方案将通过一个具体的阵列式高强耐候钢光伏支架型式试验进行讲解。

此次试验材料为高强耐候钢，支架型式为：单立柱双排2×13 承插式支架。设计正常使用极限状态正向荷载组合为1.0 恒荷载+1.0 雪荷载+1.0 正风荷载，反向荷载组合为1.0 恒+1.0 逆风。承载能力极限状态正向荷载组合为1.3 恒+1.5×0.7 雪+1.5正风，反向荷载组合为1.0 恒+1.5 逆风。

试验目的为通过光伏支架型式试验验证设计的光伏支架结构型式的安全性、稳定性以及材料的可靠性。

2 检验范围及内容

本次检验内容包括：①光伏支架型式检验；②光伏支架应力、应变测试；③光伏支架最大承载力测试（极限位移控制）。

3 检验依据

依据光伏阵列支架结构型式，按照系统操作的相关规定，参考以下标准：

（1）JG/T 490-2016《太阳能光伏系统支架通用技术要求》；

（2）GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》；

（3）QJ 3156-2002《导弹地面设备大型结构应力测试方法》。

4 主要检验设备及试验产品参数

4.1 检验设备

无线静态应变仪：DH3819N；位移传感器：5G105；全站仪：徕卡R400；激光测距仪；钢卷尺：30 m、5 m；钢板尺：300 mm；游标卡尺：150 mm；宽口游标卡尺：200 mm；激光测温仪。

4.2 试验产品参数

图1 产品参数图

5 检验项目、要求、方法及检验结果

5.1 支架外观检验

支架外观检验要求、方法及结果见表1。

表1 支架外观检验要求、方法及结果

图2 现场检测图

表2 钢支架各构件预拼装允许偏差

表3 钢支架各构件预拼装允许偏差检查方法

表4 支架尺寸检查结果

表5 支架材料壁厚检查结果

5.2 支架尺寸偏差检查

5.3 支架材料壁厚检查

5.3.1 支架材料壁厚检查要求和方法

（1）主要受力构件的钢板壁厚应不小于1.5 mm。

（2）检测方法：采用分辨率为0.05 mm 的游标卡尺或分辨率为0.1 mm 的金属测厚仪在杆件同一截面的不同部位测量，测点应不少于5 个，并取最小值。

5.3.2 支架材料壁厚检查结果

5.4 支架力学性能检查

（1）支架受拉、受压构件的长细比限值应不大于表6 的允许值。

表6 构件长细比允许值

（2）在组件恒荷载、风荷载、雪荷载和地震荷载标准值的组合效应下，支架受弯构件的挠度应不超过表7 允许值。

表7 受弯构件挠度允许值

（3）在组件恒荷载、风荷载、雪荷载和地震荷载标准值的组合效应下，支架的柱顶位移不应大于柱高的1/60。

（4）试验方法

受拉、受压构件长度采用分辨率为1 mm 的钢尺测量，主要受弯构件的挠度、柱顶位移，根据荷载等级的划分，采用静力法测试，试验方法如下：

1）在光伏组件的边框上，沿边框平面的法线方向，施加线荷载Q，持续时间为2 min。如图3 所示。试验人员观察位移计的读数，以及被测样品的异常情况，并加以记录。

图3 正压作用下支架变形试验示意图

2）反方向施加线荷载Q，持续时间为2 min，如图4 所示。试验人员观察位移计的读数，以及被测样品的异常情况，并加以记录。

图4 负压作用下支架变形试验示意图

5.5 试验荷载

试验采用线荷载Q，与平面荷载P的关系按下式确定。

Q=P×A/L

式中：P-作用在光伏组件的平面荷载，单位为kP，取值见表8；

表8 试验荷载等级表

A-光伏组件边框范围内的面积，单位为m2；

L-光伏组件边框周长，单位为m。

（1）试验支架荷载取值

1）恒荷载：0.14 kN/m2，

2）正风荷载：0.31×0.97×1.2×1.28=0.46 kN/m2

3）逆风荷载：0.31×（-1.24）×1.2×1.28=-0.59 kN/m2

4）雪荷载：0.31 kN/m2

（2）荷载组合

1）正常使用极限状态：

①1.0 恒+1.0 雪+1.0 正风=cos28×（1.0×0.14+1.0×0.31）+1.0×0.46=0.86 kN/m2

②1.0 恒+1.0 逆风=cos28×1.0×0.14+1.0×（-0.59）=-0.47 kN/m2

2）承载能力极限状态：

①1.3 恒+1.5×0.7 雪+1.5 正 风=c o s 28×（1.3×0.14+1.5×0.7×0.31）+1.5×0.46=1.14 kN/m2

②1.0 恒+1.5 逆风=cos28×1.0×0.14+1.5×（-0.59）=-0.76 kN/m2

最大荷载为1.14 kPa，0.9

（3）加载方案：Q1 →Q2 →Q3

1）正向施加总荷载：

Q1=0.86×2.278×1.134×26=57.76 kN=5.8 t（测变形）；

Q2=1.14×2.278×1.134×26=76.56 kN=7.7 t（测应力）；

Q3=1.2×2.278×1.134×26=80.59 kN=8.1 t（测荷载等级Ⅱ级时的变形和应力）。

2）反向施加总荷载：

Q1=-0.47×2.278×1.134×26=-31.57 kN=-3.2 t（测变形）

Q2=-0.76×2.278×1.134×26=-51.04 kN=-5.1 t（测应力）Q3=-1.2×2.278×1.134×26=-80.59 kN=-8.1 t（测荷载等级Ⅱ级时的变形和应力）。

5.6 光伏支架应力、应变测试

5.6.1 光伏支架应力、应变测试要求

光伏支架安装调试完毕，检测工况符合要求。

5.6.2 测点布置应符合下列规定

（1）测点应具有代表性，高应力区域、复杂应力区域、腐蚀严重区域应重点布置测点；

（2）传感元件应粘贴牢固并做好绝缘防潮处理；信号传输导线应妥善固定，电阻值应确保稳定；当信号传输导线的电阻对测量结果产生影响时，应对测量结果进行修正。连接测量导线时，应保证连接处接触电阻稳定，并将导线妥善固定。检测仪器应置于安全且便于操作的位置。

5.6.3 测点布置

应力测点布置：立柱（柱脚）翼缘和腹板的应力、应变；斜梁（与立柱连接位置）翼缘和腹板的应力、应变；前支撑翼缘和腹板的应力、应变；后支撑翼缘和腹板的应力、应变；檩条（支座处）翼缘和腹板的应力、应变。具体布点示意图见图5、图6。

图5 应变片布点示意图

图6 位移布点示意图

5.6.4 测试工况

（1）结构静应力检测

初始状态，光伏支架停止运行恢复初始状态，应力测量仪平衡并清零，采集相关数据，记录各测点应力值。

（2）运行状态结构应力测试

测试状态，根据现场光伏支架运行的具体状况，测试光伏支架（包含但不限于上仰、平行、旋转、下俯等工况）不同工作状态下的应力值，此时记录各测点应力值。

5.6.5 光伏支架应力、应变测试数据

（1）正压应力

应力点分布从B1~B18 共18 个点位，逐步测试各点位在载荷等级3 900 kg、5 850 kg、7 650 kg、8 250 kg 状态下的正压应力值，找出最大正压应力分布点以及对应的应力值。

（2）负压应力

应力点分布从B1~B18 共18 个点位，逐步测试各点位在载荷等级3 150 kg、5 100 kg、8 100 kg 状态下的负压应力值，找出最大负压应力分布点以及对应的应力值。

（3）柱顶位移

位移点分布在B1~B4 共4 个点位。先测试在正压情况下，各点位在载荷等级2 190 kg、5 850 kg、7 800 kg、8 100 kg 状态位移值；找出正压情况下位移最大值。然后测试在负压情况下，各点位在载荷等级2 190 kg、5 850 kg、7 800kg、8 100 kg 状态位移值；找出负压情况下位移最大值。

5.7 光伏支架檩条挠度形变测试

5.7.1 光伏支架檩条挠度形变测试要求

光伏支架安装调试完毕，检测工况符合要求。

5.7.2 测点布置应符合下列规定

（1）测点应具有代表性，位移严重区域、变形严重区域应重点布置测点；

（2）在被测支架上做好检测标记点，然后在支架实验场地附近找个平整合适区域。架好全站仪，设备调平，仪器清零。在设备进行载荷实验时，重点观测标记测点，并及时做好记录。

5.7.3 测点布置

挠度测点布置：长檩条变形严重的位置且易于观测的点，做好标记。具体布点示意图见图7。

图7 檩条挠度布点示意图

5.7.4 檩条挠度测试数据

（1）正压下的挠度值

根据设置好的变形测量点，首先在无施加荷载情况下测出变形测量点中部，变形测量点左侧、变形测量点右侧的挠度值作为基准值，然后分别在载荷等级2 190 kg、5 850 kg、7 800 kg、8 100 kg 状态下测出变形测量点中部，变形测量点左侧、变形测量点右侧的挠度值，最终计算出该点挠度的平均值作为该点的挠度值。

挠度计算公式：某点的挠度值=（某载荷状态下的中部挠度值-对应基准值）-[（某载荷状态下的左侧挠度值-对应基准值）+（某载荷状态下的右侧挠度值-对应基准值）]/2

（2）负压下的挠度值

测试方法与正压下相同，施加荷载与正压下数值相同，方向相反。

6 检验结论

根据此次试验材料；支架型式；设计正常使用极限状态正向荷载组合、反向荷载组合；承载能力极限状态正向荷载组合；设计正常使用极限状态正向荷载组合、反向荷载组合；测出如下试验数据。

表9 支架力学性能检查结果

从以上数据可以看出，光伏支架应力、应变测试结果、光伏支架立柱位移结果、光伏支架挠度变测试结果等力学性能均符合规范要求。此试验结论验证了高强耐候钢光伏支架结构的安全性、可靠性；可将此结构型式用于生产制造和实际项目中使用；也可以作为其他光伏支架结构型式的参考。