论文部分内容阅读
摘要：光伏支架的结构设计是光伏电站策划的关键构成要素，通过比较分析目前常用光伏支架结构形式的优劣，参考相关支架设计规范及荷载规范，选择单立柱式固定支架与双立柱式固定支架进行三维数值模拟、受力分析及经济性分析与比较，最后给出了不同光伏发电站形式下，支架结构形式选择的推荐方案。
关键词：光伏建设;光伏支架;经济性分析
当下，世界各国能源供给短缺和环境问题日渐严峻，经济社会可持续发展面临重大挑战，清洁安全可再生能源的开发使用得到广泛关注。虽然已经使用了许多类型的可再生替代能源，但水、风能和潮汐能的总量太小，无法满足人类的需要。太阳能作为一种分散普遍、资源丰硕的可再生能源，可以持久使用，具备很大的开发利用后劲。未来光伏发电将会取代一些传统能源，同时也会成为全球能源供给的关键组成部分，这将彻底改变能源结构。作为光伏组件的重要组成部分，为了实现太阳能光伏发电站的最大经济效应，有必要考虑和研究光伏支架的安全性、可靠性及经济性。根据不同光伏形式的需要，支架结构体系通常分为单柱支架、双柱支架、追踪式支架、墙壁式支架，以上太阳能支架系列及其他规格依据安装形式的差别，又可以分成建筑物的地面安装系统、屋顶安装系统和光伏建筑一体化系统。
一、光伏支架基础形式
现有阶段，我国光伏支架常用的基础形式有：（1）钢筋混凝土灌注桩基础;（2）预应力混凝土管桩基础;（3）钢螺旋桩基础;（4）混凝土独立基础或墩基础;（5）混凝土条形基础。
以下比较几种常用基础的优缺点：第一，钢筋混凝土灌注桩基础，用微型机械钻探设备成孔，建设速度快，技术简单，无土方开挖和回填，较少基槽余土，工程费用低，建设时间短，广泛使用。缺点是需要一定的混凝土养护时间才能进行支架安装，在淤泥质土等软土地质中成孔困难且易塌孔。第二，预应力混凝土管桩基础，具有桩体密实、强度高、施工速度快、技术简单、无土方开挖和回填、工期短的优点。缺点是在山地地区或存在较多孤石的硬质土层中较难成桩。第三，钢螺旋桩基础，其优势在于施工速度块、桩基施工完成后可立即进行支架安装，缺点是成本高，耐腐蚀性差，对砂土地质不适用。第四，配重式混凝土墩基础或条形基础，其优势在于基础材料单价低，无土方开挖和回填，适用于较平整的场地，如屋顶分布式光伏项目，缺点是人工工作量大，施工速度慢。
二、现阶段我国光伏支架构造形式
日前，光伏发电站的主要支架类型有固定式支架和光伏追踪式支架。按倾角是否可调，固定支架可分成最佳倾斜角固定支架和可调倾斜角固定支架，按支架立柱数量又可分为单柱支架，双立柱支架及多立柱支架等。追踪式支架分为平面单轴追踪式支架、斜面单轴追踪式支架、双轴追踪式支架。最佳倾斜角固定支架一般选择一年中受光辐射量最多的角度，追踪式支架一般以固定型为基准，每月根据太阳的移动调整高度和方位角，提高发电效率。参照近年年来建设的光伏发电站工程资料，追踪式支架可提高10～20%发电效率，但追踪式支架成本更高，且占地面积大，并需要传动装置的连续调整，易发生故障，需要大量的人力和物力维护。另一方面，固定倾斜角支架具有构造简易、维护费用低、安全性和稳定性好的优点，目前，固定支架依然是主流支架的样式而广泛使用。
三、固定式支架结构形式
固定式支架柱脚采用通过预埋地脚螺栓或预埋钢板与基础连接;支架U型立柱与可调基座采用螺栓连接，U型立柱与斜梁形成固定光伏支架，根据立柱的个数及斜梁跨度合理设置斜撑，U型纵向檩条布置在斜梁上，檩条上铺设光伏组件。支架立柱与斜梁、支撑与斜梁、斜梁与纵向檩条梁均采用铰接形式连接，光伏组件与纵向檩条通过铝合金压码或其他连接件连接。
四、光伏支架的设计选型分析
在固定式支架中目前最常用的为单立柱支架及双立柱支架。以下将通过SPA2000分别建模计算，分析比较两种支架形式的受力特征及在不同场地条件下的选型分析。支架立柱、斜梁、纵梁檩条均采用薄壁U型结构，支架倾角为15°。
4.1 荷载分析
为了让光伏组件最大限度地暴露在光下取得最好的光照资源，且防止光伏板面上积灰积水，一般光伏板与水平面均会呈一定角度。由于光伏组件受荷面积大、重量轻，风荷载变为光伏支架结构体系的控制荷载。光伏支架结构设计时，应考虑支架结构在风压力及风吸力作用下，立柱、斜梁及纵向檩条的强度、长细比、侧移及挠度均需满足规范相应的要求。鉴于光伏电站的设计使用年限一般为25年，光伏支架结构安全性等级为三级，设计支架时风荷载可按25年一遇的荷载数值取值。考虑福建沿海地区，本文取50年一遇基本风压0.80kN/m2，25年一遇的基本风压为0.60 kN/m2。假定光伏板采用目前主流的540Wp光伏板，组件尺寸为1133x2256x35mm，单片组件重量为27.2kg，按2x8光伏阵列布置。
4.2 光伏支架的荷载组合
光伏支架承受的荷载主要有组件自重、风荷载、雪荷载、施工检修荷载及地震作用等。由于光伏支架质地较轻，刚度较小，，所受地震作用较小，所以一般情况下地震效应组合不起控制作用。一般考虑自重分别与风压力及风吸力的荷载组合。
4.3 数值模拟分析
利用SPA2000分别建立单立柱光伏支架及双立柱光伏支架的三维计算模型，光伏组件自重及所受风荷载简化为均布荷载作用在纵向檩条上，再传递至斜梁上，往下再传递给立柱，而后在传递给基础。两种模型中，纵向檩条及斜梁的受力均可简化为多跨连续梁模型，在同样受力情况及跨度下，采用的构件截面一致。对双立柱式固定支架，柱脚一般与基础采用铰接连接，在风压力及风吸力作用下，立柱可简化为二力杆件，承受轴压力或轴拉力，一般控制立柱的长细比不超过150，支架侧移不超过1/60且立柱轴压稳定即可满足要求。对单立柱式固定支架，一般柱脚与基础刚接，立柱受拉弯或压弯，除应满足强度及刚度要求外，还应满足压弯稳定。通过软件计算，在其他条件都相同的情况下，单立柱支架用钢量大于双立柱支架，且随支架高度的增加两者间的差距增大。
五、光伏支架的经济性分析
如上所述，单立柱固定支架结构用钢量高于双立柱固定支架。在不考虑其他因素的情况下，单立柱支架常用于单位造价高，抗水平力及抗倾覆力强的基础型式的光伏电站中，如渔光互补式光伏，当鱼塘底下有较深淤泥层时，所需要的管桩长度较长时，从综合造价角度分析，采用单立柱固定支架结构型式经济效应较高。对于如屋顶屋面分布式光伏，一般基础常采用预制式或现浇式墩基础或条形基础，单位基础材料造价低，采用双立柱固定支架结构型式经济效应较高。
六、结束语
眼下，国际能源局式复杂，各个国家都在极力寻找替代传统化石能源，同时，核能、风能和水的安全性及可行性受到地域和时令的影響，因此太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源正受到越来越广泛的关注和利用。随着地面和屋顶光伏系统在世界范围内的普遍推广和运用，光伏已成为供电系统中必不可少的能源之一。本文通过对光伏支架设计选型比较及经济性分析，探讨了不同类型支架的优劣及适用的光伏发电站形式，希望能给今后支架的选型设计有些借鉴作用。
参考文献
[1] 李根森 ， 并网光伏电站支架基础对比分析研究 [J]. 太阳能，2019， （08）.
关键词：光伏建设;光伏支架;经济性分析
当下，世界各国能源供给短缺和环境问题日渐严峻，经济社会可持续发展面临重大挑战，清洁安全可再生能源的开发使用得到广泛关注。虽然已经使用了许多类型的可再生替代能源，但水、风能和潮汐能的总量太小，无法满足人类的需要。太阳能作为一种分散普遍、资源丰硕的可再生能源，可以持久使用，具备很大的开发利用后劲。未来光伏发电将会取代一些传统能源，同时也会成为全球能源供给的关键组成部分，这将彻底改变能源结构。作为光伏组件的重要组成部分，为了实现太阳能光伏发电站的最大经济效应，有必要考虑和研究光伏支架的安全性、可靠性及经济性。根据不同光伏形式的需要，支架结构体系通常分为单柱支架、双柱支架、追踪式支架、墙壁式支架，以上太阳能支架系列及其他规格依据安装形式的差别，又可以分成建筑物的地面安装系统、屋顶安装系统和光伏建筑一体化系统。
一、光伏支架基础形式
现有阶段，我国光伏支架常用的基础形式有：（1）钢筋混凝土灌注桩基础;（2）预应力混凝土管桩基础;（3）钢螺旋桩基础;（4）混凝土独立基础或墩基础;（5）混凝土条形基础。
以下比较几种常用基础的优缺点：第一，钢筋混凝土灌注桩基础，用微型机械钻探设备成孔，建设速度快，技术简单，无土方开挖和回填，较少基槽余土，工程费用低，建设时间短，广泛使用。缺点是需要一定的混凝土养护时间才能进行支架安装，在淤泥质土等软土地质中成孔困难且易塌孔。第二，预应力混凝土管桩基础，具有桩体密实、强度高、施工速度快、技术简单、无土方开挖和回填、工期短的优点。缺点是在山地地区或存在较多孤石的硬质土层中较难成桩。第三，钢螺旋桩基础，其优势在于施工速度块、桩基施工完成后可立即进行支架安装，缺点是成本高，耐腐蚀性差，对砂土地质不适用。第四，配重式混凝土墩基础或条形基础，其优势在于基础材料单价低，无土方开挖和回填，适用于较平整的场地，如屋顶分布式光伏项目，缺点是人工工作量大，施工速度慢。
二、现阶段我国光伏支架构造形式
日前，光伏发电站的主要支架类型有固定式支架和光伏追踪式支架。按倾角是否可调，固定支架可分成最佳倾斜角固定支架和可调倾斜角固定支架，按支架立柱数量又可分为单柱支架，双立柱支架及多立柱支架等。追踪式支架分为平面单轴追踪式支架、斜面单轴追踪式支架、双轴追踪式支架。最佳倾斜角固定支架一般选择一年中受光辐射量最多的角度，追踪式支架一般以固定型为基准，每月根据太阳的移动调整高度和方位角，提高发电效率。参照近年年来建设的光伏发电站工程资料，追踪式支架可提高10～20%发电效率，但追踪式支架成本更高，且占地面积大，并需要传动装置的连续调整，易发生故障，需要大量的人力和物力维护。另一方面，固定倾斜角支架具有构造简易、维护费用低、安全性和稳定性好的优点，目前，固定支架依然是主流支架的样式而广泛使用。
三、固定式支架结构形式
固定式支架柱脚采用通过预埋地脚螺栓或预埋钢板与基础连接;支架U型立柱与可调基座采用螺栓连接，U型立柱与斜梁形成固定光伏支架，根据立柱的个数及斜梁跨度合理设置斜撑，U型纵向檩条布置在斜梁上，檩条上铺设光伏组件。支架立柱与斜梁、支撑与斜梁、斜梁与纵向檩条梁均采用铰接形式连接，光伏组件与纵向檩条通过铝合金压码或其他连接件连接。
四、光伏支架的设计选型分析
在固定式支架中目前最常用的为单立柱支架及双立柱支架。以下将通过SPA2000分别建模计算，分析比较两种支架形式的受力特征及在不同场地条件下的选型分析。支架立柱、斜梁、纵梁檩条均采用薄壁U型结构，支架倾角为15°。
4.1 荷载分析
为了让光伏组件最大限度地暴露在光下取得最好的光照资源，且防止光伏板面上积灰积水，一般光伏板与水平面均会呈一定角度。由于光伏组件受荷面积大、重量轻，风荷载变为光伏支架结构体系的控制荷载。光伏支架结构设计时，应考虑支架结构在风压力及风吸力作用下，立柱、斜梁及纵向檩条的强度、长细比、侧移及挠度均需满足规范相应的要求。鉴于光伏电站的设计使用年限一般为25年，光伏支架结构安全性等级为三级，设计支架时风荷载可按25年一遇的荷载数值取值。考虑福建沿海地区，本文取50年一遇基本风压0.80kN/m2，25年一遇的基本风压为0.60 kN/m2。假定光伏板采用目前主流的540Wp光伏板，组件尺寸为1133x2256x35mm，单片组件重量为27.2kg，按2x8光伏阵列布置。
4.2 光伏支架的荷载组合
光伏支架承受的荷载主要有组件自重、风荷载、雪荷载、施工检修荷载及地震作用等。由于光伏支架质地较轻，刚度较小，，所受地震作用较小，所以一般情况下地震效应组合不起控制作用。一般考虑自重分别与风压力及风吸力的荷载组合。
4.3 数值模拟分析
利用SPA2000分别建立单立柱光伏支架及双立柱光伏支架的三维计算模型，光伏组件自重及所受风荷载简化为均布荷载作用在纵向檩条上，再传递至斜梁上，往下再传递给立柱，而后在传递给基础。两种模型中，纵向檩条及斜梁的受力均可简化为多跨连续梁模型，在同样受力情况及跨度下，采用的构件截面一致。对双立柱式固定支架，柱脚一般与基础采用铰接连接，在风压力及风吸力作用下，立柱可简化为二力杆件，承受轴压力或轴拉力，一般控制立柱的长细比不超过150，支架侧移不超过1/60且立柱轴压稳定即可满足要求。对单立柱式固定支架，一般柱脚与基础刚接，立柱受拉弯或压弯，除应满足强度及刚度要求外，还应满足压弯稳定。通过软件计算，在其他条件都相同的情况下，单立柱支架用钢量大于双立柱支架，且随支架高度的增加两者间的差距增大。
五、光伏支架的经济性分析
如上所述，单立柱固定支架结构用钢量高于双立柱固定支架。在不考虑其他因素的情况下，单立柱支架常用于单位造价高，抗水平力及抗倾覆力强的基础型式的光伏电站中，如渔光互补式光伏，当鱼塘底下有较深淤泥层时，所需要的管桩长度较长时，从综合造价角度分析，采用单立柱固定支架结构型式经济效应较高。对于如屋顶屋面分布式光伏，一般基础常采用预制式或现浇式墩基础或条形基础，单位基础材料造价低，采用双立柱固定支架结构型式经济效应较高。
六、结束语
眼下，国际能源局式复杂，各个国家都在极力寻找替代传统化石能源，同时，核能、风能和水的安全性及可行性受到地域和时令的影響，因此太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源正受到越来越广泛的关注和利用。随着地面和屋顶光伏系统在世界范围内的普遍推广和运用，光伏已成为供电系统中必不可少的能源之一。本文通过对光伏支架设计选型比较及经济性分析，探讨了不同类型支架的优劣及适用的光伏发电站形式，希望能给今后支架的选型设计有些借鉴作用。
参考文献
[1] 李根森 ， 并网光伏电站支架基础对比分析研究 [J]. 太阳能，2019， （08）.