光伏支架结构优化设计研究

光伏支架结构优化设计研究

陈伯雄

水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐830000

摘要：随着电力能源需求量的增加，发电工程建设数量也越来越多，光伏发电是很重要的一种形式之一。光伏发电项目的支架结构每MW的用钢量一直是影响工程造价最直接的因素之一，对支架结构的优化设计越来越成为光伏发电项目的设计重点，本文在一种柔性光伏支架结构的基础上提出优化方案，并通过结构计算及受力分析，最终得到了最优方案。

关键词：光伏支架；结构优化；设计

引言

太阳能作为无污染的绿色资源，发展前景非常广阔，已经成为各国竞相开发的绿色资源。传统的固定式支架由于对太阳光的利用率低，造成了巨大的资源浪费，将给开发商带来较大的压力，开发商的效益近年下滑，影响了光伏产业的发展速度。

1光伏发电单元组成

光伏发电系统主要分为独立光伏发电、分布式光伏发电、并网光伏发电。目前我们最常见的就是分布式光伏发电、并网光伏发电项目。光伏发电主要设备主要由太阳能电池组件、逆变器、汇交箱、光伏支架等组成。其中对于基建部分钢结构专业主要任务是光伏支架的设计、施工。

2光伏支架结构优化设计

2.1结构参数

模型结构跨度为71．30m，柱高为2．95m，边跨柱距为3．95m，中跨分别为4．25，4．10m；承重索采用直径20mm的镀锌钢绞线，其强度为1670MPa；钢梁采用尺寸为300mm×10mm的方钢管，材质为Q235－b；钢梁下方钢柱采用尺寸为250mm×10mm的方钢管，材质为Q235－b；柱顶采用加劲肋进行局部加强，结构的荷载考虑了结构的自重，并由程序自动计算，承重索张拉力为88KN。有限元计算模型中，承重索采用桁架单元进行模拟，并通过施加初张力模拟承重索的张拉力，计算模型中，考虑了几何非线性。在自重作用下，承重索的张拉力确实不是水平作用，由于存在垂度，柱顶承重索的拉力与水平线有一定的角度。实际光伏支架结构承重索张拉之后，垂度较小，索与水平线的夹角很小，因此，文中忽略该夹角对计算结果的影响，根据模型计算结果进行分析，从而得出不同结构形式及承载水平力的构件与地面倾角变化对水平力承载构件受力情况的影响规律，以达到对结构最优选型。

2.2斜拉索倾斜度变化对斜拉索内力的影响

斜拉索截面直径为45mm，在其他条件不变的情况下，通过调整斜拉索与地面的倾角，分析结构受力的变化，如图1所示。图1中：F为水平力承载构件内力。由图1（a）可知：随着斜拉索倾角的增大，斜拉索内力逐渐增大；当倾角θ为20°～40°时，斜拉索内力随着倾角的增大而逐渐增大，增大的幅值不到1．0％，变化数值较小；当θ＞40°时，倾角越大，斜拉索内力增加明显，每增大5°，内力增量越大，已超过1．0％。由于考虑了承重索张拉施工顺序的影响，后张拉索力会对已张拉承重索的索力产生影响，使承重索的预张力发生损失．当斜拉索与水平向倾角较小时，随着倾角的减小，斜拉索长度变长，斜拉索的总伸长量增加，柱顶的侧向变形增大，导致承重索的预应力损失增大，所以承重索的水平力减小，故而斜拉索的水平分力随着倾角减小而减小；当斜拉索与水平向倾角增大到一定程度时，随着倾角的增加，钢立柱和斜拉索的抗侧刚度减小，柱顶侧向位移增大，承重索的预应力损失增大，而斜拉索的水平分力随着倾角的增大而减小。由图1（b）可知：斜拉索的水平分力出现先增大、后减小的现象．由图1（c）可知：当倾角θ为60°时，斜拉索产生的竖向荷载比25°斜拉索产生的竖向荷载增加3倍，杆件内力的竖向分力显著增加。因此，当现场斜拉索锚固条件不受约束时，可以选择较小的倾角，设计时，除了要合理设计水平力承载构件，还要综合考虑水平力承载构件产生的竖向荷载对基础的影响。

图1不同倾角下斜拉索的应力变化

2.3八字型钢斜柱倾斜度变化对钢斜柱内力的影响

柔性光伏支架水平力承载构件采用八字形钢斜柱，外侧钢斜柱受拉，内受压，内、外侧的钢斜柱均采用HM194×150×6×9型钢，其余条件不变。通过调整不同侧的钢斜柱与地面倾角分析钢斜柱的内力变化情况，结果如图2，3所示．受压钢斜柱不同倾角下的临界荷载系数变化，如图4所示。由图2（a），3（a）可知：对于八字形的钢斜柱，不论是受压钢斜柱还是受拉钢斜柱，其内力都会随着钢斜柱与地面夹角θ的增大而增加，但起始阶段增加平缓；随着钢斜柱倾角进一步增大，其内力增加越迅速。由图2（b）可知：当倾角从30°增大到50°时，受压钢斜柱的水平分力在数值上随倾角近似线性增加，而在该范围外变化平缓．结合图2，10可知：当倾角θ从20°增大到60°时，水平力承载构件内力的变化明显，增加量接近一倍，但并没有明显增大构件对水平力的承担，而构件的竖向分力却大幅增加。由图4可知：当倾角θ过小时，钢斜柱内力较小；当长度过长时，构件的失稳临界荷载降低。综上可知，当θ约为45°时，钢斜柱长度和竖向分力相对较小，且结构失稳临界荷载较大，结构较为合理。

图2不同倾角下受压钢斜柱的内力变化

图3不同倾角下受拉钢斜柱的内力变化

图4受压钢斜柱不同倾角下的临界荷载系数变化

3讨论与分析

3种不同结构形式的水平力承载构件的内力都随着构件与地面的倾角θ的增大而增大，且倾角越大，在相同角度增量的情况下，内力的增加量越大，但对于水平力承载构件承担的水平力，仅在一定的角度范围内平缓增加，而构件内力的竖向分力随着倾角的增大而增加，且增幅明显。当现场斜拉索锚固条件不受约束时，斜拉索加钢立柱结构形式的水平力承载构件与地面的倾角θ越小，受力越合理。在倾角相同的情况下，对于采用斜拉索和单侧采用钢斜柱的柔性光伏支架，其水平力承载构件的内力在数值上相近，斜拉索从结构外侧以拉力的形式承担水平力，而钢斜柱是在结构内侧以构件受压的形式承担水平力。

八字形的钢斜柱能以两根斜柱的形式分别承担水平力，此时，八字形钢斜柱在结构外侧的钢斜柱产生拉力，在内侧的另一根钢斜柱产生压力，内、外两侧杆件的内力数值相近．产生不同内力数值的原因是在模拟时，考虑了结构的自身重力，自重的竖向荷载会降低受拉钢斜柱的拉力，增大受压钢斜柱的压力．所以，在数值上，受压钢斜柱的内力会比受拉钢斜柱的内力更大。由于采用八字形钢斜柱的柔性光伏支架是从结构内、外两侧钢斜柱平衡水平力，所以，八字形钢斜柱的内力约为斜拉索和单侧采用钢斜柱内力的一半。八字形的两根钢斜柱能够较均匀的分担张拉承重索所产生的水平力，且受拉钢斜柱的竖向分力相对单侧采用钢斜柱的结构形式小，因此，结构受力更为合理。在相同的地质条件下，基础的受压性能比受拉性能好，所以，采用钢斜柱的柔性光伏支架比采用斜拉索的柔性光伏支架对基础要求更低，而采用八字形钢斜柱的柔性光伏支架的单根柱在内力数值上约为采用斜拉索和单侧采用钢斜柱的一半，所以，对基础的要求最低。

结语

在地质条件良好的条件下或场地有合适的锚固位置时，采用斜拉索作为水平力承载构件比单侧采用钢斜柱或八字形钢斜柱结构形式更为合适．在地质条件不良时，采用八字形钢斜柱的柔性光伏支架，对地质的要求最低，下部基础结构容易设计，结构受力最为合理，整体结构较为经济。

参考文献：

［1］国振喜，张树义．实用建筑结构静力学计算手册［M］．北京：机械工业出版社，2009．

［2］国际电工委员会．光伏（PV）组件安全鉴定（IEC61730）第一部分：结构要求：IEC61730［S］．北京：中国标准出版社，2004：30．

［3］张相庭．工程结构风载荷理论和抗风计算手册［M］．上海：同济大学出版社，1990．