光伏支架结构设计研究

光伏支架结构设计研究

李玉龙

身份证：421122198001223513

摘要：随着国家能源结构的调整以及相关产业政策的出台，⽬前国内光伏电站的建设进⼊了⼀个⾼潮期。光伏发电是一种新型的电能生产方式，它具有无污染、高利用价值等优点，所以具有很大的发展潜力。本文结合实际工程经验，简单地介绍了光伏支架结构的设计。

关键词：能源短缺；可再生能源；光伏发电；光伏支架结构

1. 光伏电站的特点和光伏支架结构设计难点

1.1光伏电站特点

光伏电站除了需要大量的资金、人力和物力之外，其建设还需要对各种自然条件进行全面的考量，主要有地形地貌、日照时间、气象条件等因素。当前，土地资源紧缺，具有良好建设条件的土地正日益减少，而我国的用电量每年都在增长，因此光伏电站往往规划建设在滩涂、丘陵、⼽壁、沙漠等场地,此类场地虽地形地貌复杂，但日照时间长，为建设光伏电站提供很好的太阳能资源。此类场地作为建筑的不利地段，建设光伏电站是提高土地利用率的重要举措。此类场地地质条件及其复杂，给光伏支架结构设计提出了更高的要求。

1.2光伏支架结构设计难点

在光伏支架结构的设计中，需要对光伏支架的安装方式、地基基础等因素的影响进行全面的分析，并找到有效的方法来解决，只有这样光伏支架结构设计工作才能顺利进行。但在实践中，往往没有充分考虑到光伏支架结构与光伏组件的相互影响，导致光伏支架结构的建造成本大幅提高。

2. 光伏支架结构的发展现状

光伏支架结构是光伏发电系统的主要结构部件，对光伏支架进行结构设计具有非常重要的意义。光伏支架主要有单列柱单坡结构、双（多）列柱单坡结构、独立柱结构，以及以平面桁架、立体桁架、空腹桁架等整体受弯为主的结构和以实腹钢拱、平面或立体桁架形式的拱形结构等整体受压为主的结构。

3. 光伏支架结构体系选型

因地制宜选择双列单坡支架结构、单列单坡支架结构或独立柱结构。在每个结构单元或温度区段应分别设置稳定结构的支撑体系且柱间支撑与横向或水平支撑应同时设置；当柱间支撑当采用带张紧装置的圆钢十字形交叉支撑时，圆钢与构件的夹角应在30°～60°范围内；对刚度要求较大的支架结构可采用十字形交叉型钢支撑。

4. 光伏支架结构的风荷载与雪荷载

光伏支架结构的荷载除包含支架自重、光伏组件自重外，应重点考虑风荷载、雪荷载、施工检修荷载。

光伏支架基本风压除应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的有关规定外，且不应小于0.30kPa。对地面光伏支架设计时，应按 25年重现期确定基本风压；当进行地基基础设计时，应按50年重现期确定基本风压；当建筑光伏一体化设计时，基本风压重现期应与主体结构一致。

光伏支架雪荷载标准值应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定确定。雪荷载应按25年重现期确定基本雪压。地基基础设计时，雪荷载应按50年重现期确定。对于安装在建筑物屋面上的光伏组件顶面应考虑积雪不均匀分布系数。

施工检修荷载不应小于1KN。

5. 光伏支架结构分析

光伏支架结构宜按空间杆系结构进行整体分析，可以采用YJK、3D3S等结构软件进行结构计算。软件的结构分析模型和基本假定应与构件连接的实际构造相符合。结构设计时，应按承载能力极限状态计算结构和结构构件的强度、稳定性以及连接强度；按正常使用极限状态计算结构和结构构件的变形。

6. 光伏支架构件设计

对支架柱应准确确定其平面内和平面外计算长度。金属支架住应按偏心受压构件进行强度、整体稳定、局部稳定计算；钢筋混凝土结构支架柱应按偏心受压（拉）构件进行受压（拉）承载力、斜截面抗剪承载力计算，受扭截面扭曲承载力计算。

对支架梁应准确确定其其平面内和平面外计算长度。金属支架梁应按受弯构件进行强度、整体稳定、局部稳定及变形计算，必要时尚应按压弯构件进行复核；钢筋混凝土支架梁应按受弯构件进行抗弯承载力、斜截面抗剪承载力计算，受扭时还应进行截面抗扭承载力计算。

光伏支架的檩条宜设置成连续构件，跨度较小时看采用简支构件，宜选用冷弯薄壁型钢，并应按照受弯构件进行截面强度和构件稳定性的验算。可考虑光伏组件对檩条侧向位移和扭转的约束能力。

光伏支架的支撑当采用交叉支撑和柔性系杆时可按轴心受拉构件设计，非交叉支撑的受压杆件及刚性系杆应按轴心受压构件设计。对横向水平支撑所受纵向风荷载，按支承于柱顶的水平桁架计算。

光伏支架结构的连接和节点传力应当简洁明确，且满足承载力要求，其构造形式应安全可靠。主体结构构件之间的连接应采用螺栓。光伏组件与支架之间的连接宜采用定型的铝合金压块标准件、轨槽插入式或螺栓固定形式。 梁柱连接可采用螺栓连接、焊接连接、栓焊混合连接，并应验算焊缝和螺栓的强度。节点构造应传力可靠，减小应力集中，应根据结构的重要性与受力特点、荷载情况、工作环境和材料截面型式等因素选用适当的节点连接形式。

7. 地基基础设计

光伏支架基础可采用独立基础、柱下条基、微型桩基和锚杆基础等。基础应进行承载力验算、地基变形验算及稳定性验算。当采用微型桩基础宜选择有代表性的场地进行原位试验。当光伏支架位于斜坡场地时，应验算地基额稳定性。

屋面光伏支架结构基础设计应与工艺和建筑专业配合；柱基础在屋面上的布置不应跨越屋面变形缝，不应影响所在屋面部位的建筑防水、排水和雨水排放；

无论何种类型的基础结构形式应满足系统的检修、更新与维护要求。

8. 防腐

支架结构防腐根据材质的不同按不同的标准设计。光伏组件表面进行水清洗维护时，应采用对支架结构无腐蚀作用的清洗液。支架基础应根据所处环境的腐蚀性等级采取合理的结构型式和适宜的防腐措施，防腐蚀环境中的预制微型桩基础混凝土等级不应低于C30,预应力基础混凝土等级不应低于C40，灌注桩不应低于C25。

9. 防雷

金属支架和电池板易遭受直击雷侵袭，也易遭受感应雷侵袭。雷电波会对整个光伏电站造成极大的破坏。可加设避雷针进行系统防雷。

结束语

虽然光伏电站的建设周期比较短，但整体的投资很大，而且要很长的一段时间才能收回成本，在光伏电站的建设过程中，光伏支架结构系统是其重要的组成部分。科学地进行光伏支架结构设计，有利于确保光伏电站的可靠、安全、经济，为光伏发电的建设工作打下坚实的基础。

参考文献

[1]罗珊, 陈冬冬, 陈国良,等. 大型光伏电站支架结构的设计研究[J]. 科教导刊：电子版, 2013(22):1.