太陽能板（bǎn）支架選型分析

    太陽（yáng）能板支架是固定太陽能電池板的重要部件。選擇合適（shì）的光伏支架形式,對於控製光伏電站工程（chéng）造價具有重要意義。通過介（jiè）紹光伏電站中常用（yòng）支架類型和形式,說（shuō）明了各類（lèi）支架（jià）的特點,並從用鋼量、受（shòu）力及（jí）變形三方麵對此進行（háng）分析。為光伏電站支架結（jié）構設計提供參考。

    隨著現代工業（yè）的發展,能源危機和（hé）大氣汙染問題日益突出,太陽能以其獨有的優勢成為人們重（chóng）視的焦（jiāo）點。我國（guó）的太陽能光伏產業也飛（fēi）速發展,成為目前應用最廣泛的新能源之一。太陽（yáng）能板支架是光伏發電站的重要組成部分,支架（jià）的選擇將直接影響光伏組件的運行（háng）安全、破損率及建設投資,在保證光伏組（zǔ）件正常（cháng）運行的前提下,降低每組支架的用鋼量已成為光（guāng）伏發電工程的重點和難點。選擇（zé）合適的支架不但降低工程造價,也（yě）會減（jiǎn）少後期養護成本。因此光（guāng）伏支架選型（xíng）的研究具有（yǒu）重要意義。

    一、支架分類及特點。

    光伏電池是把太陽的（de）光能直接轉化為電能的基本單元,電池通過組合形成（chéng）電池組件,電池組件是光伏電站的（de）基本發電設備。結合目前國內太陽能電池市場的產業現狀和產能（néng）情（qíng）況,商用的（de）太陽電池主要有（yǒu）以下種類型:單晶矽太陽能電（diàn）池、多（duō）晶矽薄膜太陽能（néng）電池、非晶矽薄膜（mó）太陽（yáng）能電池、銅銦镓硒薄膜太陽能電池（CIGS）

    晶矽類電池（chí）組件多帶有不鏽（xiù）鋼邊框,可以通過組件（jiàn）邊框很好的適應支架（jià）變形,破損率較低（dī）,薄膜類電池組件多為無邊框（kuàng）,對支架變形的適應較差,組件破損率可達3~5‰,以30MW的光伏電站為例,建成後每年僅更換破損組件的投入就可達60~-100萬元（yuán）。所以在采用（yòng）薄膜類電池組件的光伏電（diàn）站中尤其要注意對支架變（biàn）形的要求。

    目（mù）前我國普遍使用的光伏（fú）支架係統從材質上（shàng）分主要有:混凝土（tǔ）支架、鋁合金（jīn）支架及鋼支架三種。混土支架主要用在大型光伏電站上,其自重大,穩定性高,可以支撐尺寸較大的（de）光伏板,例如（rú）:單軸軸光伏係統。但施工慢,工期長,裝配程度低,在常見的固定（dìng）支架光伏電站中應用較少。鋁合金支架一般用在民用建築屋頂金耐腐蝕、質量輕、美觀（guān）耐用等特點,但是承載（zǎi）力低,價格高,在國內的地麵光電站中應用也較（jiào）少。鋼支（zhī）架性能穩定,製造工藝（yì）成熟,承載力高,安裝簡便,支架廣泛采用的冷彎薄壁型鋼均為工廠生產,具有規（guī）格統一,性（xìng）能穩定,防腐性能優良,外形美（měi）觀等特點。鋼（gāng）結構因其高強、質輕、穩定性好等優勢廣泛應用於民用、工業太陽（yáng）能（néng）光伏（fú）和太（tài）陽能電站中。同時《光伏發電設計規範》GB50797-2012中說明（míng）光（guāng）伏支架材料宜采用鋼（gāng）材“,材（cái）質的選用和支架設計應符合現行國家標準《鋼結構設計規範》GB50017-2003的規定。因此,本文硏究（jiū）主要針對地麵光伏中的鋼結（jié）構支架。

    二、常用鋼支架結構型式

    2.1三角形（xíng）支架

    此種（zhǒng）支架是早期光伏工程中（zhōng）采用（yòng）較多的支架形式如（rú）圖1,支架設置前後長短支腿,支腿（tuǐ）分別與基礎采用螺栓連接,斜撐一端支撐在（zài）長柱柱腳,端在斜粱中部,縱冋檁條支（zhī）撐在斜粱上,構成太陽能板支（zhī）架係統。該結構是幾何不變（biàn）體（tǐ）係,無多餘（yú）約束（shù）。

此類（lèi）支架結構常（cháng）用的光伏支（zhī）架柱腳與基礎的（de）連接見圖2,此種結構（gòu）形式如果柱（zhù）腳按鉸接考慮,支架變形較大，用鋼量（liàng）較高，並且由於支架變形引起的無邊框電池組件破損率非常高。

    2.2改良三（sān）角（jiǎo）形支架

    三角形支架對支腿與基礎（chǔ）的（de）連接形式要求較髙,為了有效解決這一問題,經過深（shēn）入硏究,改良三角（jiǎo）架（jià）孕育而生(如圖3),該支架在三角形支架的基礎上增加（jiā）了斜支撐,增加了支架的整體穩定性,用鋼量稍有增（zēng）加,支架（jià）前後立柱（zhù）協同變（biàn）形,變形減小,適用於各種形式的光伏組（zǔ）件支架,尤其是風荷載較大（dà）,地熱起伏不均勻（yún）或山地光伏,對支架整體性和變形要求較高的工程。

    2.3人字形支（zhī）架

    人字形（xíng）支架遵循的是結構力學中“三剛片規則”即:三個剛片（piàn）用不在一直線上的三個單鉸兩兩相聯組成的集合體係不變,且沒有多餘約束。也是一個簡單的二元（yuán）種支架形式（shì）(圖4)由於取消（xiāo）了長短腿的設置,所以用鋼（gāng）量較小,支架形式更為簡單（dān）,施工（gōng）安（ān）裝更為方便。但此（cǐ）種（zhǒng）支架也有一定的局限性:1)因其無法在高度方向調節（jiē）支架,此支架僅適用（yòng）於地勢平坦起伏較小的地形;2)由於該支架取消了長短支腿,使橫粱懸挑長度加長,上部荷載增大時,支架產生度也會增大,這對光伏支架係統的穩定性及無邊框（kuàng）光伏（fú）組件（jiàn）的破（pò）損率都（dōu）會造成隱患,因此人字形支架僅用於風荷載較小的工程環境。

    2.4改良人字形支（zhī）架

    為了有效（xiào）解決（jué）人字形支架（jià）斜粱用鋼量較大的缺點角形支架的特點,形成了改良版的人字形架(圖5),此（cǐ）種支架形式是在人字形支架的基礎上增加了後（hòu）支腿,從而減少橫粱的懸挑長（zhǎng）度,達到加（jiā）強（qiáng）支架統穩定性,降低光伏組件破損率的效果。改良人字形支（zhī）架用鋼量僅比人字形（xíng）支架略大,但是與兩個三（sān）角形支架相比,用鋼量會有所（suǒ）減少。

    單柱光伏支撐結構主要由主梁（liáng）、次粱、前支撐（chēng）、後（hòu）支撐、鋼柱（zhù）、抱箍和單樁基礎等關鍵構件組（zǔ）成,如圖6所示單柱光伏支撐結構釆用2個斜支撐,支起主（zhǔ）、次梁,從而托起光伏電池板,鋼（gāng）斜撐與單柱（zhù）基礎ˉ間連接通過抱箍（gū）實現,具有簡潔（jié）、髙效的特點。同時單柱光伏支撐（chēng）結構占用空間較小,可以（yǐ）充分利用前後排光伏組串之間的土（tǔ）地（dì）單柱光伏支撐結構的前、後支撐是雙柱光伏支（zhī）撐結構前、後支枉的拉長版,且單柱光伏（fú）支撐結構增（zēng）加了抱箍、鋼柱等構件,所以與雙柱光伏（fú）支架相比（bǐ）單柱（zhù）支撐（chēng）結構的用鋼量明顯提高。

    三、支架（jià）受力及變形分析

    以工程為例,由於（yú）工程采用薄膜光伏組件,地（dì）勢（shì）也較（jiào）為平緩,考（kǎo）慮到（dào）支架的適用性（xìng）對改良型三角形支架和改良型人字形支架的受力及變形進（jìn）行分析,已知的設計參數為:最佳傾角34度,外部環境為壁灘,地勢平坦,30年一遇風載0.42kNm2,抗震設防烈度為7度,設計基本地震加（jiā）速度值為010g,設計特征周期（qī）值為0.45s。場地類別為Ⅱ類,光伏板最（zuì）低點距離地麵0.5m。,結構內（nèi）力及節點位移見圖7~圖8。

    比（bǐ）可知,改良三角形支（zhī）架其（qí）所受內力（lì）及（jí）節點（diǎn）位移與改良人字形技支（zhī）架相比均略大。改（gǎi）良人字形支架受力遠小於改良三角形（xíng）支（zhī）架,所以改良人字形支架的結構受力、用鋼量及節點位移均達到最小值,為此工程的最優方（fāng）案。