通规下光伏支架优化设计

通规下光伏支架优化设计

张国飞

中国能源建设集团浙江火电建设有限公司，杭州 310016

摘要：结构通规的执行增加了光伏支架结构20%的风荷载值，如何满足规范下，不增大光伏支架设计再进一步优化？本文从支架结构优化、风荷载计算优化、檩条布置优化、分区优化设计和镀锌铝镁檩条的应用建议多方面分析计算，和实列项目数据的对比计算。提出了全部二力杆件的PV支架结构方案、风压高度变化系数按优化公式计算的建议和3跨连续檩条布置方案等，在实际工程设计中，具有一定的的经济效益和参考价值。

关键词：优化设计；光伏支架；二力杆件；风压高度变化系数；

Optimal Design of PVSupportBracket after Implementation of the

General Code for Engineering Structures

Zhang Guofei

(China Energy Engineering Group Zhejiang Thermal Power Construction CO., LTD, Hangzhou 310016, China)

Abstract: The implementation of the general code for engineering structures increased the wind load value of PV support structures by 20%, how to meet the specification without increasing the PV support structures design and then further optimization? This paper analyzes and calculates from many aspects of bracket structure optimization, wind load calculation optimization, purlin arrangement optimization, zoning optimization design and application suggestion of galvanized aluminum-magnesium purlin, and comparison calculation of actual listed project data. The structural scheme of PV support structures  with all pulling and pressing bars, the suggestion of wind pressure height variation coefficient calculated by the optimization formula and the 3-span continuous purlin arrangement scheme are proposed, which have certain economic benefits and reference values in the actual engineering design.

Key word：optimal design; PV supports; pulling and pressing bars ; wind pressure height variation coefficient.

0 引言

为保护全球环境，还我青山绿水，世界各国纷纷提出了碳排放碳达峰目标。中国也最早提出3060双碳目标。可以预见不久将来为实现双碳目标，将会有成千上万座太阳能发电厂在辽阔的地球上迅速建设投产，同时也将消耗掉数亿吨的光伏支架钢结构，环保降耗必然要求采取合理的设计优化来降低用钢量。光伏支架结构主要荷载自重、风雪和检修荷载，其中风荷载其控制作用的活荷载，属于对风荷载敏感的结构，因此如何优化风荷载的计算取值是光伏支架结构优化设计的关键，本文从结构选型布置方案、风荷载优化计算、檩条布置和选材多方面谈谈作者作法和感想。

1 目的及实列项目

1.1 目的

通过对规范的理解应用，谈谈我国规范在光伏支架结构风压作用计算中的应用分析和优化计算取值及结构布置等，解决结构设计人员在优化设计和结构安全取舍，及优化通过审图专家审图等关切的问题。

最终使光伏支架结构设计既满足工程优化的需求，同时满足通规等标准的要求，并顺利通过专家审图。

1.2 实列项目

工程建设规模500MWac,地处我国甘肃地势平坦的戈壁沙漠地区（地面粗糙度B类），50年一遇10分钟10m高平均最大风速为29.7m/s，

重现期50年基本风压：0.55kN/m²，重现期25年风压：0.47kN/m²；

重现期50年基本雪压：0.20kN/m²，重现期25年雪压：0.19kN/m²。

抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组第三组。

光伏支架采用倾角35°固定支架，支架高度结构3.1m,光伏板顶标高3.4米,最低点高于地面0.5米，光伏板中心标高2.0米，PV支架（同光伏支架）结构如图1示。

作者简介：

张国飞（1980-），男，汉，河南信阳人，高级工程师，大学本科，学士学位，主要从事工程咨询设计管理及土建设计，《光伏支架结构设计规程》编者。

图1  PV支架结构图

2 光伏支架结构优化

光伏支架结构分为固定式支架、固定可调支架和跟踪支架。跟踪支架一般按设备采购，由厂家负责计算设计生产，并经风洞试验验证，一般都很经济，优化空间较小。本文主要针对固定光伏支架做结构优化设计探讨。

2.1 支架结构横向布置优化

光伏支架结构是钢结构或轻钢结构，因此要充分发挥钢材的材料特性，结构布置采用受力简单的二力杆，节点采用铰接的支架结构体系。

2.2 支架结构纵向布置优化

光伏支架纵向结构，受到纵向风荷载很小，从《光伏支架结构设计规程》[1]（以下简称支架设计规程）知光伏支架纵向受到风荷载作用力仅为横向受力的5%~10%，因此纵向结构满足《钢结构设计标准》[2]（以下简称钢结构标准）构造规定即可，对支撑结构杆件优化采用张拉钢筋，满足构造和结构体系稳定，优化布置如下图2示。

图2  PV支架纵向图

2.3 支架结构计算应力优化

光伏支架结构采用软件计算时应考虑风荷载重要性系数折减的规定，如果重要性系数软件默认为1.0，则笔者认为应力比可取到1.0~1.05相当应力比在0.95~0.998的安全范围。

3光伏支架结构的荷载计算优化

2022年1月1日执行《工程结构通用规范》[3]（以下简称结构通规）中全部是强条，施工审查时专家重点审查的条文。关键是结构通规条文规定“当采用风荷载放大系数的方法考虑风荷载脉动的增大效应时,风荷载放大系数应不应小于1.2”[3]。

结构通规发布前执行的规范支架设计规程和《建筑结构荷载规范》[4]（以下简称荷载规范）中规定风振系数可取1.0。“对于双列或多列单坡支架结构体系,可取1.0；单列单坡支架结构体系可按荷载规范执行”[1]。荷载规范“对于高度大于30m且高宽比大于1．5的房屋，以及基本自振周期T1大于0．25s的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响”，光伏固定支架结构刚度很大且高度3米左右，可不考虑风荷载脉动的增大效应影响，因此光伏支架结构风振系数按1.0取值。

结构通规的发布执行直接导致光伏支架结构设计风荷载增大20%，相应钢结构用钢量增加，那么如何在满足规范条件下优化风荷载设计，让光伏支架结构设计用钢量不增加或减小？

3.1基本风速重现期取值

基本风速指“一般空旷平坦地面B类粗糙度,离地10m高10分钟50年重现期年平均最大风速”[4]。

“对雪荷载和风荷载，应取重现期为设计使用年限” [4]，光伏支架的设计使用年限25年。支架设计规程规定“地面光伏支架设计时，应按 25 年重现期确定基本风压” [1]，所以光伏支架设计时基本风速重现期按25年取值。

基本风压和基本风速的计算公式见式1。

           (1)

式中：w0为基本风压(kN/m2)；ν0为设计风速(m/s)。

规范中一般风压的重现期年限分别为10、50和100年，那么重现25年的基本风压需要根据已提供的气象资料中50年重现期的设计风速进行换算，由Peterka and Shahid1998公式见式2。

     (2)

计算出ν25=0.93ν50=27.621m/s带入式1知w25=0.477kN/m²,同本实列项目提供25年基本风压一致。

3.2风荷载计算公式

支架设计规程规定风荷载计算公式为：

(3)

式中：wk为风荷载标准值(kN/m2)；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数，对于地面光伏支架可取光伏板顶端高度；w0为基本风压(kN/m2) 。

因结构通规执行而影响计算结果的参数是风振系数取值，由执行前的1.0放大到现在的1.2，其他参数新规没有变化，荷载计算优化怎么执行？

3.3风荷载计算优化

“风压高度变化系数，对于地面光伏支架可取光伏板顶端高度”[1]，以参照光伏项目的概况，地面光伏支架的最高标高3.4米，考虑支架高度调整和厂区地面高差影响，安全取值4.5米计算。查荷载规范正文结构高度H≤10米（地面粗糙度B类），风压高度变化系数取值都是1.0，规范或许从安全概率出发考虑的安全储备，比者认为风压高度变化系数应能体现风速的梯度变化，参照荷载规范公式计算出结构对应高度的高度变化系数。

Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures（ASCE/SEI 7-05

）[6](以下简称ASCE/SEI 7-05)中速度压力暴露系数Kz（相当国标的风压高度变化系数）在空旷平坦的暴露类型（同中国规范的B类地面粗糙度）时的取值见表1所列。

表1  美标速度压力暴露系数表

美标在国外项目中是通用执行标准，10米以下的速度压力暴露系数划分比较细，仅在15英尺（4.6米）以下没在细分取值，笔者建议参照美标细分到4.5米，计算如下。

荷载规范地面粗糙度B对应不同高度风压高度变化系数计算公式详式4。

()0.30    （4）

式中：μz是在高度z处风压高度变化系数；

z是风荷载作用的位置高度;

计算高度4.5米处风压高度变化系数μz=0.787，0.787×1.2=0.94，按此取值后风荷载计算值比考虑结构通规1.2的风振系数还小了6%，工程量不仅没有增加还存在一定优化空间。

4光伏支架檩条的优化设计

目前在设计用于安装光伏组件的檩条时，没有对支架上中下分区设计，全厂C型钢型号一致，便于现场施工但不利于节能减排降低工程量。下面将从布置、选材和分区设计等三方面优化设计。

4.1光伏支架檩条布置优化

檩条设计布置应考虑连续多跨檩条的支座弯矩和跨中弯矩最优方案。从《建筑结构静力计算手册》[7]中知，均布荷载下多跨连续梁支座弯矩大于跨中弯矩，弯矩系数见表2所列。

表2等跨均布荷载连续梁最大弯矩系数表

无限等跨的简支连续梁弯矩最小，最经济，但是考虑C型钢的运输长度和结构变形问题，建议控制在3跨，端跨可设计一定悬挑长度进行长度的调节，此时弯矩系数相对最小，工程量优化范围5%~25%，无限跨在结构工程中不存在。

4.2光伏支架檩条选材优化

光伏项目一般所在环境比较恶劣，设计一般采用热浸镀锌，生产过程不仅污染环境而且工艺复杂，成本较高，现场磕碰损坏部分不能自修复，需要人工修补，关键修补效果不好。

镀锌铝镁钢板制品的耐蚀性非常高，不仅是热浸镀锌铝合金钢板的5倍，更是热浸镀锌钢板的10倍，且具有环保、美观、高耐腐蚀、自修复低成本和易加工等优点。

推荐采用镀锌铝镁钢板轧制的型钢，不仅可以有效优化工程投资降低一次成本，而且能降低后期维护成本。

4.3光伏支架檩条分区设计优化

支架设计规程将光伏组件受风面划分了9个区域见下图，从高到低（近地面端），每个区域体型系数见表3所示。

图3 光伏组件受风面分区图

表3光伏组件风荷载局部体型系数表

负号为风吸，每个区域体型系数最大差异3倍多，因此檩条设计应上中下分段设计计算。

阵列数大于7排时应对前后中间不同位置的基础、光伏支架及檩条进行分区设计，特别是中间区域考虑前后支架对风速的梯度降低的影响，风荷载优化效果显著。

5 结论及建议

① PV支架结构优化应从结构纵横向及应力比控制角度优化。支架杆件应设计成两端铰接的二力杆件，充分发挥钢材的轴向受力的强度，并注意风荷载重要性系数的折减；

② PV支架风速重现期应按25年设计取值。风荷载高度变化系数应取组件最高标高对应的高度变化系数进行优化设计，风压高度变化系数按规范或本文中公式计算。

③檩条优化设计应采用合理等跨的连续梁计算模型。

④檩条优化设计的材料建议采用环保、美观、高耐腐蚀、自修复、易加工和成本低的镀锌铝镁钢板制品。

⑤结构和檩条应分区优化设计，檩条应上中下分段优化设计。不能全厂按最大风压值计算后选择统一规格。

参考文献

[1] 国家能源局.光伏支架结构设计规程: NB/T 10115-2018 [S],北京：中国计划出版社，2018.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.钢结构设计标准：GB 50009-2012[S],北京：中国建筑工业出版社，2017.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.工程结构通用规范：GB 55001-2021[S].北京：中国建筑工业出版社，2021.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑结构荷载规范：GB 50009-2012[S],北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] . 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.门式刚架轻型房屋钢结构技术规范: GB51022-2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[6] The American Society of Civil Engineers. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures : ASCE/SEI 7-05 [S], Reston：American, 2006.

[7] 建筑结构静力计算手册编写组.建筑结构静力计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.