摘要：在大型地面光伏电站中，不同形式的支架会影响光伏组件接收到的太阳辐射量和电站的占地面积。本文对不同纬度地区、采用不同支架形式的光伏电站的占地面积、发电量、成本和投资收益率进行了对比分析。跟踪支架可以有效提高光伏电站的发电量，其成本和可靠性是制约其应用推广的关键，通过比较分析，小倾角斜单轴跟踪支架对于提高光伏电站发电量和投资收益率具有较好的应用前景。
关键词：光伏电站；跟踪支架；发电量；投资收益
由于西部地区光照资源丰富，以及光伏发电成本太高，中国开始在西部地区进行大型光伏并网电站的建设。西部地区尤其是西北地区的年有效光照小时数是东部地区的两倍左右，甚至超过2000小时。而西部地区遍布的大片荒漠化土地，对于需占地面积较大的光伏电站和光伏电站运营企业而言，具有较大的市场竞争力与吸引力。一般在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，如果选用的支架不合适，会增加加工成本、安装成本及后期养护成本。因此，对光伏电站支架结构进行优化研究具有较重要的意义。
1.光伏电站支架结构及优化方式
1.1大型光伏电站支架结构
目前西部地面光伏电站的支架普遍采用Q235-B钢。综合多种因素考虑，西部地面光伏电站建设一般采用固定式支架。目前普遍采用的固定式支架主要由横梁、斜梁、前后支腿、斜撑组成，受力性能良好。
1.2优化方式简介
光伏支架为超静定结构，进行优化设计时，采用简单的手算等静力分析无法得出准确的计算结果，现在普遍采用电算方式进行结构分析，计算光伏支架的强度、刚度、稳定性时普遍使用的软件为PKPM和SAP2000。PKPM操作简单，设计效率较高，但该软件没有适用于光伏支架的截面，计算时只能用近似的截面代替，其加载方式也不是很合理，计算结果并不能让人满意；SAP2000也有一定的缺点，对支架节点等细部，其无法进行受力分析。ANSYS在结构计算上功能强大，它能够形象而准确地模拟出支架零部件中实体结构的细部受力特征，进而计算出不同工况下的结构强度。
2.光伏支架基础型式
2.1钢制螺旋地锚基础
1）基础型式及尺寸：在钢制地锚钢管上以一定螺距、倾角焊接一定数量和直径的叶片，形成螺旋型桩体。根据有无外伸叶片和叶片的连续性，钢制地锚可分为无外伸叶片、连续螺旋叶片、间断双层螺旋叶片、间断多层螺旋叶片钢制地锚。钢制地锚钢管壁厚应≥4mm；螺旋叶片钢制地锚的叶片外伸宽度≥20mm时，叶片厚度应>5mm；当叶片宽度<20mm时，叶片厚度应≥2mm。
2）受力特点：打桩机通过对桩头施加扭矩形成竖向力下旋成桩，桩体强度高且桩尖形成扩大头，有效提高了单桩承载力。压桩后桩身具有高负荷性、稳固性、抗沉降性及抗拉拔性等性能特点。
3）材料及制造工艺：桩身采用热镀锌防腐工艺，延长螺旋桩使用寿命；加工工艺较为复杂，需要进行切割、加热、缩管、螺旋片焊接、冲孔、镀锌等，桩身质量可靠。螺旋桩直径及桩长受到产品工艺限制，当基础荷载超出螺旋桩产品承载力范围时，一般不采用螺旋桩基础。
2.2植筋基础
对于基岩较为完整且风化程度较低的光伏支架基础，可采用植筋基础[7]。其破坏工况一般为植筋钢筋的拉断或植筋胶粘结力不足导致钢筋从植筋孔中拔出，又或岩石等本身强度不足导致的剪切破坏，以其中抗力最小的一种工况为支架基础的设计控制工况。植筋基础的施工过程为：定位、钻孔、洗孔、钢筋处理、注胶、植筋、固化养护、抗拔试验、绑扎钢筋浇筑混凝土。其施工工艺较为简单，可运用于基岩较为完整的石漠化场址；同时，在部分废弃厂矿的场址内有较厚的混凝土地面及原有大型设备基础，在这一区域内，也可采用植筋基础，从而最大限度地利用场址内现有条件，降低工程投资。
2.3岩石锚杆基础
岩石锚杆基础体形示意图
岩石锚杆基础与植筋基础类似，其破坏工况为：1）钢筋与灌浆混凝土粘结强度不足，导致钢筋从混凝土中被拔出；2）灌浆混凝土与基岩的粘结强度不足，导致钢筋与混凝土整体从锚杆孔中被拔出；3）岩体强度不足或存在节理，导致岩体本身破坏，钢筋、灌浆混凝土与部分岩体被拔出。设计控制工况应以上述3种破坏形式中抗力最小的一种工况为准。另外，因支架底部有水平力，所以一般仍需验算钢筋的抗剪承载力。岩石锚杆基础主要运用于岩石出露且岩石完整性较差的场地，其施工过程需人工成孔、灌浆，最后浇筑基础顶部混凝土。岩石锚杆基础充分利用了锚杆抗拔能力强的特点，可有效减小工程量。
3.支架优化设计
主要对支架的部分构件进行有限元分析和优化。经过用钢量统计，得出支架横梁和前后立柱下方的底座用钢量较大，因此着重对这两部分进行有限元分析和优化。
3.1支架横梁有限元分析
为使力学计算方便，在SAP2000中对支架结构进行整体有限元分析时，常将支架横梁建模成简单的C型钢形式，这样计算结果就与真实结果有所出入。为准确计算出横梁在不同工况下的应力，在SAP2000中对整体结构进行计算后，再在ANSYS中对实际的冷弯内卷C型钢进行有限元分析，通过分析结果，可判定横梁结构是否安全。
取一根4720mm横梁进行有限元分析。光伏支架在某地使用时，受到了自重、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震等作用，将这些荷载进行组合，将最不利组合时的荷载换算成面荷载，施加在横梁上。得出了两种横梁在相同外荷载作用下的强度、刚度结果，冷弯内卷C型钢强度结果。
由计算结果可知，在荷载、约束等外部条件相同的情况下，冷弯内卷C型钢的承载能力更好。简化的C型钢最大应力（强度）为179MPa，最大应变（刚度）为6.83mm；冷弯内卷C型钢的最大应力（强度）为153Mpa，最大应变（刚度）为6.2mm。强度都小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，刚度也满足规范要求。
3.2底座有限元分析
底座是连接光伏支架方形立柱和圆管地桩的零件，目前我方项目普遍采用的底座单个重量大约为2.6Kg。支架结构中，底座是重要的受力部位，且安装支架时需要大量使用。如何在保证安全可靠的前提下将其重量适当减小，以达到降低成本的目的，值得研究。经初步分析，拟将底座的高度由150mm减小为120mm，厚度由8mm减小为6mm，宽度也适当减小。现将新设计的底座在ANSYS中进行有限元分析，以确定其结构是否安全。根据地桩拉拔力的经验值，取20KN作为底座受到的竖直向上的力，并将其换算成面荷载施加在底座的螺栓孔位置。
得出了底座的强度结果。为使计算方便，采用底座的1/2模型进行分析，加载时施加了对称约束。由计算结果可知，底座的最大应力（强度）为103MPa，小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，最大变形为0.1mm，符合规范要求，因此，重新设计的底座结构是安全的。
3.3支架横梁有限元分析
为使力学计算方便，在SAP2000中对支架结构进行整体有限元分析时，常将支架横梁建模成简单的C型钢形式，这样计算结果就与真实结果有所出入。为准确计算出横梁在不同工况下的应力，在SAP2000中对整体结构进行计算后，再在ANSYS中对实际的冷弯内卷C型钢进行有限元分析，通过分析结果，可判定横梁结构是否安全。取一根4720mm横梁进行有限元分析。光伏支架在某地使用时，受到了自重、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震等作用，将这些荷载进行组合，将最不利组合时的荷载换算成面荷载，施加在横梁上。得出了两种横梁在相同外荷载作用下的强度、刚度结果，冷弯内卷C型钢强度结果。由计算结果可知，在荷载、约束等外部条件相同的情况下，冷弯内卷C型钢的承载能力更好。简化的C型钢最大应力为179MPa，最大应变为6.83mm；冷弯内卷C型钢的最大应力为153Mpa，最大应变为6.2mm。强度都小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，刚度也满足规范要求。
结论
本文以现行其他规范为指导，参考国外其他规范的要求，建立了光伏支架结构计算的理论方法，得到了以下结论：1）合理的风荷载取值是光伏支架设计的重要内容，可采用25年一遇的风荷载基本组合对光伏支架进行结构设计，同时采用42m/s的瞬时风速对应的极大风荷载组合进行校核。2）基于静力计算理论开发的优化设计程序经数值模拟验证，具有较好的准确度且偏于安全，可用于指导光伏支架的工程设计。3）经济性分析结果表明，竖向双层光伏组件排列方式的经济性优于横向四层光伏组件排列方式。前者可作为地面光伏发电场的推荐排布方式。
参考文献：
[1]李俊峰，王斯成，等.2011中国光伏发展报告[M].北京：中国环境科学出版社，2001.
[2]中华人民共和国建设部.GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[3]中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.[4]太阳光发电协会（日）.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社，2006.
论文作者:梁飞龙
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第16期
论文发表时间:2019/3/4
标签：支架论文; 荷载论文; 光伏论文; 横梁论文; 型钢论文; 电站论文; 底座论文; 《建筑细部》2018年第16期论文;