柔性光伏支架结构设计探讨

柔性光伏支架结构设计探讨

刘飞

身份证号码：610125198904140034

摘要：柔性光伏支架是一种大跨度、多连跨结构，为在两端固定点间张拉预应力钢丝绳，固定点采用刚性结构和外侧斜拉钢绞线提供支反力，其具有可灵活调节、占地面积小、场地平整度低的特点，广泛适用于各种地形地貌，具有广阔的应用前景。基于此，本文详细的分析了柔性光伏支架结构设计。

关键词：柔性光伏支架；适用性；结构设计

在“双碳”战略背景下，光伏产业因其绿色和可持续发展特点而越来越受欢迎。而柔性光伏支架的提出克服了复杂地形的限制，能适应山地、荒坡、水池、渔塘、林地等复杂地形条件，占地面积小、场地适应性强，使光伏支架成为光伏产业与农业、林业、渔业等产业之间的桥梁，是提高单位面积太阳能利用率、促进多产业融合的有效途径，具有巨大经济价值。

一、柔性光伏支架概述

柔性光伏支架即为在成排的钢索上安装光伏板，钢索两端由刚性支撑连接，同时为了减少两端顶部支撑的弯矩，支撑两端多采用外部张拉斜拉索或内部刚性斜支撑。柔性光伏支架采用“悬、拉、挂、撑、压”的工艺，能有效规避山地起伏、植被较高等不利因素，将原先受环境制“不可利用”的土地变废为宝，大幅提升土地的利用率。

柔性支架的特点为：①跨度大且跨度范围灵活可调。②土地空间利用率最大化。③操作方式灵活，通风性能好，发电效率高。④相比传统光伏支架，柔性光伏支架抗裂性能好。⑤用钢材量少，承重小，造价低。⑥场地基础要求小，预装性强，极大地缩短了施工周期。

二、柔性光伏支架结构特性

柔性光伏支架是指由柔性承重索、钢立柱、钢斜柱或斜拉索、钢梁及基础组成的一种支架，具有结构简单、材料使用少、质量轻、建设周期短等传统支架所缺乏的优点。柔性光伏支架的承重索采用钢绞线等柔性组件，此类柔性组件具有弹性模量大、松弛率低、强度高等优点，能进行大跨度张拉，从而规避场地的起伏等不利因素，所以柔性光伏支架能因地制宜，受地形地貌的限制条件少。

与主要承受竖向荷载的普通刚性支架受力特点不同，柔性光伏支架采用的承重索需进行预应力张拉，形成一定的刚度以铺设光伏组件，张拉的承重索索力会对支架产生较大的水平荷载，此外，承重索传给柱顶的水平拉力会使基础产生较大的剪力和拉拔力。因此，考虑采用何种类型的水平力承载构件承担水平力，以达到受力合理且对基础要求最低，是设计的要点。

三、柔性光伏支架适用性

光伏支架作为光伏发电系统中支撑固定光伏发电板的重要部件，其环境适应性决定了光伏发电系统的适用范围。柔性光伏支架是一种新型光伏支架，由钢立柱、斜拉索、柔性索等组成，光伏发电板固定在柔性索上，跨度大，灵活可调，占地少，耗材少，既经济又实用，可广泛应用于滩涂、渔塘、山地等复杂地形条件。

在复杂陡峭的山区、污水厂等，由于常规、可调支架是刚性结构，跨度小，需大量基础架设，传统固定支架施工难度大，经济成本高，并不适用。柔性光伏支架的提出正好弥补了上述缺点，因其具有很强环境适应性，可用于各种复杂地形，对地形复杂河道或深沟，可通过合理设置立柱位置实现跨越，以充分利用各种复杂环境中的土地资源。更重要的是，柔性光伏支架的提出，为政府推进“渔光互补”、“农光互补”提供了可能，促进了新能源光伏产业与多产业的融合，是现代化建设的重要举措。

但需指出的是，与传统固定支架相比，柔性光伏支架具有明显优势，但仍存在制约其发展因素。a.柔性索耐久性成为制约柔性光伏支架发展的关键因素，因其长期暴露在恶劣环境下，加之长期连续荷载和风雪荷载作用，对柔性索的耐腐蚀性和疲劳性要求高，难以满足光伏发电站25a的设计年限。b.柔性光伏支架设计跨度大，为实现多产业融合，离地高，所以光伏发电板安装难度远大于地面固定支架，不稳定因素多，对施工人员要求高。c.柔性索预张拉程序是施工质量的保证，而且技术复杂，需专业团队把关。d.检修困难。

四、项目背景

以某80MWp林光互补光伏发电项目为背景，介绍了柔性光伏支架连接结构的设计方案。项目地处低山地貌，四周群山环绕，山势连绵起伏，地势陡峭，即区内地貌是一个起伏大的原始山坡。为适应陡峭山地，摒弃了难以应用的传统支架安装方式，采用了对复杂环境适应性强的柔性光伏支架，基础和支架均位于山坡上，基础结构多为微孔灌注桩，光伏组件固定在钢绞线拉索上。此外，考虑到项目占地面积大，柔性光伏支架难以完全覆盖，不可避免地会出现间隙。为提高项目占地利用率，一些空隙用固定支架填补，并且为确保结构设计年限可达25a，支架钢构件采用镀锌防腐材料，光伏组件采用550Wp单晶硅单玻组件。

五、结构设计

柔性光伏支架受荷方式不同于传统刚性支架，除承受竖向荷载外，预张拉程序后的柔性索还将产生显著的水平荷载，钢支架作为将柔性索受荷传递到地面的关键部件，是整个系统的刚性部件，会对基础产生显著剪力及拉拔力。安装施工流程为：基础施工和预埋件定位→钢支架现场拼装→端部钢架安装→端部斜支撑安装→依次安装中间钢架。

柔性索为光伏发电板提供反力，是固定发电板关键部件。柔性索与其他部件间连接结构的稳定性直接关系到柔性光伏系统的安全。

1、光伏组件-钢绞线连接结构。光伏发电板通过四个压块连接并固定在两条柔性索上，除光伏板外，还增设连杆来固定柔性索相对位置，防止柔性索因外力而产生不平衡水平摆动，减少对光伏板水平外力的干扰。

具体来说，铝合金压块是根据光伏发电板组件边框尺寸匹配生产，为连接光伏发电板和柔性索关键组件，要防止光伏板在风吸力作用下上浮和回落损伤，因此，铝合金压块通过两道螺栓和绳夹连接到光伏组件和钢绞线上，并配有防浮倒钩。

2、钢绞线-支架连接结构。柔性索是柔性支撑系统的核心，必须牢固地连接到端部和中部支架。结构固定端部支架处的钢绞线，对锚具的锚固效果要求高，要确保钢绞线在预张拉程序完后始终保持锚固状态。具体而言，在锚具外预留1.5～2.0m钢绞线，用于预张拉程序。同时，端部支架是柔性支架系统中承受最大水平荷载的部分，这将对基础产生显著的剪力及拉拔力。因此，为提高柔性支架系统的安全稳定性，通常在端部支架外侧设斜拉杆，并通过单锚杆或双锚杆固定在稳定土层中。钢绞线-中部支架连接简单，只需通过绳夹固定在中部支架，支架承受钢绞线的竖向荷载。

3、组件保护结构。大跨度柔性光伏支架不可避免会受强风干扰，产生大幅摆动，严重时甚至会导致光伏发电板损坏。因此，在柔性光伏系统中增加外部干扰削弱措施，对保护光伏发电板组件、延长其年限意义重大。项目通过间断设置连杆，减少侧向外力对光伏发电板造成的损伤，以及两条钢绞线不平衡振动对固定光伏发电板的影响；并且在连杆上增加一个拉环，将防风缆向下连接，且防风缆绳的另一端固定在端柱或中部立柱的底部，从而防止光伏发电板在风吸力下剧烈上浮回落，这也是降低光伏发电板振动幅度、减弱外力冲击的有效措施。

具体而言，为更有效地利用柔性光伏支架的柔性特性，避免连杆和防风电缆缆绳固定的过度约束，增强柔性光伏系统抵御强风的能力，进一步优化防风缆绳结构，在防风缆绳的另一端增加了缓冲弹性部件，使其具有一定抗风阻尼，使其在遇到强风时缓慢变形，减弱强风的冲击力。

参考文献：

[1]唐俊福.柔性光伏支架结构特性分析及其优化设计[J].华侨大学学报(自然科学版)，2019,40(03):331-337.

[2]王雨.光伏组件柔性支架技术方案[J].太阳能，2018(03):37-40.