摘要：随着社会的进步，我国能源紧缺问题日渐显现出来，新能源受到越来越多的关注，光伏电站的工程建设项目在社会工程建设领域得到了一定的重视，而光伏支架结构作为光伏发电站的重要组成部分，使其设计在我国逐渐兴起，并越来越受到人们的重视，本文就光伏支架结构优化设计进行研究。
关键词：光伏支架；结构；优化设计
1光伏支架结构目前发展
近年来光伏发电厂在我国蓬勃发展，然而国内的光伏发电站的设计始终缺乏一套相关的规范依据。光伏支架作为光伏组件的支撑物的组成结构，相比于普通的钢材制其安全性能较低，对于光伏支架结构的设计采用钢材制备的思想必将导致成本的大幅度升高和制作材料的浪费。对于光伏支架结构的优化设计显得尤为重要。
目前通用的光伏支架结构通常是由两个立柱起到支撑作用，立柱之间通过各种拉筋进行固定支撑连接等作用，除此之外，每个支架上都安装有晶硅光伏板。支架整体的立柱通过其下部的安装基础进行与地面之间的固定，在立柱之上安装各种横梁纵梁从而增加整个光伏支架的稳定性。对于这种传统的光伏支架出现的最大问题在于光伏发电的效率较低，主要原因就在于光伏支架结构的固定，不能进行调节。除此之外还包括整个支架的成本较高，由横梁纵梁及两根立柱的成本价格过高，对于整个光伏电站的建设成本也提出了很大的挑战。对于出现的结构问题和设计建筑成本问题需要进行数据和结构的详细分析设计优化。
2光伏支架结构荷载取值确定
在进行光伏支架设计的时候，通常要考虑到光伏组件需有一定的倾斜度，目的就是为了能最大程度的接收光照，由于此种设计思路光伏支架结构通常还需承受一定的风荷载。同时由于光伏支架整个的设计结构导致自身重量较轻且受风面积较大，最终导致风荷载成为光伏支架的主要荷载来源。对于光伏支架结构的优化设计考虑必须充分从两方面进行，一是在顺风时支架的承风强度大小，一是在逆风情况下由于整个支架结构设计较轻引起可能出现的倾覆的情况。因此在光伏支架优化设计中必须充分考虑风荷载的取值。由于光伏电站一般的使用寿命为25年，光伏支架设计风荷载项目地点不同取值也会相应发生变化。如图1为光伏支架荷载简图。
除了风荷载之外，光伏支架受到的主要荷载还包括雪载荷，施工检修载荷，但对于光伏支架此类离地面较近且质量较轻的材料来说，地震带来的影响较小。因而在设计过程中不需考虑地震对于光伏支架结构设计的影响。在光伏支架所需承受的各类荷载中以风荷载和雪荷载为主要内容，对于这些方面，充分考虑到光伏支架的结构特点，紧贴地面同时其重量较轻，在地震时受到的影响力较小，对于这些荷载的综合计算和考虑，通过静力学的方法并计算从而设计出适宜的结构，主要就是对于荷载支架的合理组合的设计。在实际设计中，由于光伏板安装于擦条上，对于风荷载和雪荷载的受力并不是直接受力于主梁上，而是需要经过擦条才能进行传力。光伏支架的结构设计相关支撑材料一般包括不锈钢等，在户外使用时可减少生锈等情况，使使用寿命大大增长。
3影响光伏电站支架结构成本的因素
在建设光伏支架时还需考虑建筑成本，尤其是对于建筑材料的选择方面，既要考虑到稳定性，坚固性，使用时限性等方面，还要考虑到建筑材料的成本，争取做到经济建筑，环保建筑。决定光伏电站支架结构的主要因素来自于五个方面。包括前期安装成本，包括前期费用，运输费用等，还包括发电成本，贷款费用，设备折旧，运行期的定时维修费用。以光伏组件为例对于相同长度的光伏组件由于使用的光伏组件的数量和材质不同的等因素，都是决定光伏电站支架结构优化设计的重要阻碍原因。在光伏电站支架建设过程中必须充分考虑这些因素，对于设备运输费用的降低，可提前和运输公司进行提前商量，选择转运过程最少，运输成本最低，安全性能较好的运输方式，既要保证相关建筑材料及时安全运输到施工地，除此之外还包括尽量就地选材，就包括整个工程的选址等因素。对于设备的维修率等要充分考虑材料的选择，对于材料的回收率要有一定保证。
4光伏支架设计经济性结构优化
地面光伏发电站常见的光伏组件设计方式主要有两种，一是竖向双层的光伏组件排列，二是横向四层的光伏组件的排列方式，对于两种光伏支架结构的构建形式复杂，以下介绍一1956mm×992mm，容量为275Wp的光伏组件，对比两种光伏组件的排列方式，可知对于竖向双层的构建来说，其所需构建的数目较多，但横截面积相对小，而对于后面一种横向四层的光伏组件，构建的根数较少，相对之间的联系较少，横截面积相对较大，除此之外，相同条件下的竖向双层结构所需的钢材数量较少，因此在仅考虑光伏支架设计的经济性的基础上可知，前者具有较强的经济性，作为地面光伏电厂较主要的光伏租价设计方式。
5优化后的光伏支架结构及与优化前的对比
优化后的光伏支架结构由原始的双支柱结构转变为单支柱结构支撑，一个支架由4个支柱支撑，为了改善之前的由于支架结构固定引起发电效率受限的情况，将每个支柱顶端安装有可旋转的支撑点，整个支架的结构就是通过旋转点进行翻转等动作，使得整个光伏支架能够随着光照的移动最大限度的接收光照，使发电效率更大。保证在春夏秋冬四季变化时可根据地球的公转与太阳形成角度的变化进行调节，角度调节到合适程度之后即可通过各类横纵拉筋及支架等结构固定。在整个优化过程完成之后支架上的光伏板约为24块，容量也有所升高。
在光伏支架设计过程中对于支架的设计较为重要，支架主要的组成成分即为由次梁，主梁，立柱和支撑组合，受弯构件包括主梁和次梁，受压控件为立柱和支撑。对于主梁和次梁的承受力的计算可类比于普通钢制材料的受力情况，前立柱和支撑主要受的力即为轴向的拉力或压力，但由于光伏支架的荷载较小，相比于钢制材料更小，因而对于立柱材料的选择通常不是由强度控制，在优化过程中参考钢制材料的稳定性要求等进行建筑。
对于太阳能资源的利用率也是对于优化决定方向的重要因素，就包括随着太阳角高度进行的可调光伏支架的设计，对于随着季节变化进行光伏支架的旋转，采用合适的倾斜角可有效提高光线的利用率，但在每个支架上都安装电机齿条等装置会很大程度上提高成本，因此对于整个光伏板合适角度的确定可通过先进的水位调节方式，只需调整一个水位的变化即可达到最终整个光伏支架的变化。
和优化前的光伏支架相比，优化后光伏支架的容量明显增大，优化后的支架为两套支架，和以前的光伏支架结构相比较而言容量增加了1000w左右。而对于每瓦的制备成本又有所降低。整个光伏支架的建筑成本也降低许多，零件的加工数量也有所减少。有效利用太阳能资源是提高发电效率最重要的因素，科学设计安装光伏板角度，将以前的固定结构改变为可调节，可旋转的方式，有效提高光照利用率。在自然环境和太阳的光照强度没有变化的情况下，相比于之前的光伏支架，真正达到了制作成本降低，安装费用降低，采光效率增多的成
果，对于全国光伏电厂的支架建筑具有一定的指导意义。优化后的光伏支架结构设计的角度和离地高度都有一定的调节，保证无论是季节的变化还是光照强度的改变都能保证光线与光伏板之间保持相对垂直的要求。有效提高发电效率，最大程度的开发了太阳能资源。
结语
随着科学技术水平的不断提高，太阳能光伏发电应用范围日渐广泛，光伏支架在整个光伏电站的投资建设中占了很大一部分，基于此，对光伏支架结构优化设计具有迫切性，也只有这样后续工作才能顺利进行，以此解决我国能源紧缺问题。
参考文献
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[4]马庆勇.太阳能光伏方阵可调支架角度优化分析[J].硅谷,2014,(18).
郑轶昕（1984.2.19），男，汉，北京市，单位：中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，本科，土木工程
论文作者:郑轶昕
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/4
标签：支架论文; 光伏论文; 结构论文; 荷载论文; 成本论文; 立柱论文; 组件论文; 《电力设备》2017年第7期论文;