屋顶分布式光伏发电支架结构设计浅析

屋顶分布式光伏发电支架结构设计浅析

刘艳

中国能源建设集团山西电力建设有限公司  山西太原  030006

摘要：本文对屋顶分布式光伏发电支架结构设计进行了浅析。首先介绍了屋顶分布式光伏发电系统的概念及其在可再生能源领域的重要性。然后针对支架结构设计的关键问题进行了探讨，包括结构稳定性、材料选择、安装方式等。最后总结了目前支架结构设计存在的挑战，并提出了未来研究的方向。

关键词：屋顶分布式光伏发电；支架结构；设计研究

引言：随着可再生能源的日益受到重视，屋顶分布式光伏发电系统作为一种清洁能源发电方式，受到了广泛关注。而支架结构作为光伏发电系统的基础设施之一，在系统运行中起着至关重要的作用。因此，对屋顶分布式光伏发电支架结构设计进行深入研究，对于提高系统的发电效率，延长设备的使用寿命具有重要意义。

一、屋顶分布式光伏发电系统概述

1.1 光伏发电原理

光伏发电是利用光电效应将太阳光转化为电能的过程。在光伏电池中，当太阳光照射到半导体材料上时，会激发出电子，形成电流。这种直接的光电转换过程是清洁、可再生的能源利用方式之一。光伏发电系统由光伏组件、支架结构、逆变器和电网连接等组成，通过将太阳能转化为电能，为社会提供清洁能源。

1.2 屋顶分布式光伏发电系统特点

屋顶分布式光伏发电系统具有以下特点：屋顶分布式光伏发电系统利用了建筑物屋顶空间，充分利用了建筑资源，不占用额外的土地资源，有利于土地资源的保护和合理利用。这种设计方式在城市中尤为重要，能够解决土地资源短缺的问题，同时减少了对自然环境的影响；屋顶分布式光伏发电系统可有效降低电能输送损耗。在传统的大型光伏电站中，电能需要长距离输送到电网接入点，存在较大的输电损耗。而屋顶分布式光伏发电系统直接接入建筑物的电网，减少了输电距离，降低了输电损耗，提高了发电效率；屋顶分布式光伏发电系统对电力需求响应更加灵活。由于光伏组件安装在建筑物屋顶，可以根据不同建筑的需求和光照条件进行灵活布局，满足不同区域和建筑的电力需求。这种分布式的布局方式能够更好地适应城市建筑的多样性和灵活性。

二、支架结构设计关键问题分析

2.1 结构稳定性分析

在屋顶分布式光伏发电系统中，支架结构需要承受风载、雪载、地震等多种外部荷载。因此，结构稳定性分析是支架结构设计的首要任务。为了确保结构的稳定性，需要充分考虑各种荷载的作用，采用合理的结构形式和连接方式。同时，需要对支架结构进行力学计算和模拟分析，以验证其承载能力和稳定性。

2.2 材料选择与防腐问题

支架结构的材料选择对于其耐久性和防腐性能具有重要影响。一般来说，常用的材料包括钢材、铝合金等。钢材具有较高的强度和承载能力，但容易生锈腐蚀；铝合金则具有较好的耐腐蚀性和轻质化特点，但价格相对较高。因此，在选择材料时，需要综合考虑成本、性能和使用环境等因素。此外，为了延长支架结构的使用寿命，还需要采取有效的防腐措施，如镀锌处理、喷塑保护等。这些措施可以有效防止支架结构受到腐蚀和破坏，保证其长期稳定运行。

2.3 安装方式及接头设计

支架结构的安装方式和接头设计直接影响到整个系统的安装效率和稳定性。常见的安装方式包括混凝土基础固定、膨胀螺丝固定等。不同的安装方式具有不同的优缺点，设计师需要根据具体情况选择合适的安装方式。同时，接头设计也是支架结构设计中的重要环节。合理的接头设计可以提高支架结构的整体稳定性和承载能力。为了确保接头的可靠性，设计师需要充分考虑接头的受力情况和连接方式，采用合理的结构形式和连接件。此外，还需要注意接头的防水和密封性能，以防止雨水和湿气渗入支架结构内部造成腐蚀和损坏。通过优化安装方式和接头设计，可以提高屋顶分布式光伏发电系统的安装效率和稳定性，降低维护成本和风险。

三、现有支架结构设计存在的挑战

3.1 风荷载和承重能力匹配问题

在分布式光伏发电系统中，支架结构的设计必须兼顾风荷载和承重能力之间的匹配问题。风荷载是指风力对支架结构施加的压力，而承重能力则是支架结构本身所能承受的最大重量。这两者之间的匹配关系直接影响着支架结构的稳定性和安全性。

在实际应用中，往往会遇到风荷载和承重能力不匹配的情况。一方面，如果支架结构的承重能力过低，当遇到较大风力时，支架可能会发生变形或甚至倒塌，导致光伏组件的损坏和发电系统的停运；另一方面，如果支架结构的承重能力过高，会增加系统的成本并降低光伏发电系统的经济性。

如何准确评估风荷载和设计合适的支架结构承重能力，成为当前支架结构设计中亟待解决的挑战之一。需要从结构材料的选择、支架结构的布局和加固设计等方面入手，通过合理的工程计算和模拟分析，确保支架结构能够在各种气候条件下保持稳定，从而实现光伏发电系统的安全可靠运行。

3.2 针对不同屋顶类型的适配性问题

当前，不同类型的屋顶（如平屋顶、斜屋顶、瓦片屋顶等）广泛存在于建筑结构中，这就对光伏支架的设计提出了更高的要求，需要考虑到不同屋顶类型的适配性问题。

每种屋顶类型都具有独特的结构特点和承载能力，因此在设计光伏支架时，必须充分考虑到屋顶的结构形式、材料特性以及安装方式等因素。例如，对于平屋顶来说，支架结构的承重能力和防水性能是关键考虑因素；而对于斜屋顶和瓦片屋顶，则需要考虑支架结构与屋面的结合方式以及对屋面结构的影响。

不同地区的屋顶类型和建筑规范也存在差异，需要根据实际情况进行相应的调整和优化。因此，在光伏支架设计过程中，必须进行详尽的调研和分析，确保支架结构与不同类型的屋顶能够完美契合，保证系统的稳定性和安全性。

3.3 环保和可持续性考量

随着全球对环保和可持续发展的日益重视，屋顶分布式光伏发电系统作为一种清洁能源利用方式，其环保和可持续性越来越受到人们的关注。然而，在支架结构的设计过程中，许多制造商往往只注重产品的功能性和经济性，而忽视了环保和可持续性的要求。例如，一些支架结构采用了不环保的材料或制造工艺，不仅会对环境造成污染，还会影响产品的使用寿命和回收价值。

四、未来研究方向展望

4.1 新型材料在支架设计中的应用

随着科技的不断进步和材料工程领域的发展，新型材料的出现为光伏支架设计提供了广阔的空间。期待在光伏支架结构中广泛应用诸如碳纤维复合材料、高强度合金等新型材料。这些材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，可以有效地提升光伏支架的性能和耐久性，降低系统维护成本和能源生产成本，对于推动光伏发电产业的发展具有重要意义。

4.2 智能化监测与维护技术

随着光伏发电规模的不断扩大，光伏支架的监测与维护成为一项重要而繁琐的任务。未来的研究方向之一是开发智能化监测与维护技术，利用物联网、大数据、人工智能等先进技术，实现对光伏支架系统的远程监控、故障诊断和智能化维护。通过实时监测支架结构的状态和性能，及时发现并解决问题，可以提高光伏发电系统的可靠性和稳定性，降低运维成本，推动光伏发电行业的可持续发展。

4.3 支架结构标准化与规范化的发展

光伏支架的设计和制造存在着各种各样的标准和规范，导致产品质量参差不齐，难以实现互操作性和通用性。未来的研究方向之一是推动光伏支架结构的标准化与规范化发展，制定统一的设计、制造、安装和验收标准，建立健全的质量控制体系和监管机制。这样可以提高光伏支架产品的质量和可靠性，降低生产成本和安装成本，促进光伏发电产业的健康发展，为可再生能源的应用和推广提供有力支撑。

结束语：

通过本文对屋顶分布式光伏发电支架结构设计的浅析，我们可以看到，支架结构的设计对于光伏发电系统的安全、稳定运行至关重要。随着技术的发展和应用的拓展，相信在不久的将来，支架结构设计会迎来更多创新，为屋顶分布式光伏发电系统的发展贡献更多可能。

参考文献：

[1]周辉,郭其秀,罗志辉.一种可移动分布式光伏电站的回字型支架结构:,CN214851042U[P].2021.

[2]王炯.一种分布式转角光伏发电支架:,CN213043631U[P].2021.