（北方工业大学 北京市 100144）
摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，我国对于能源需求在不断加大，目前的光伏支架结构都不能完全解决太阳能发电的稳定性与连续性问题。对此，本文提出一种新型面板可折叠跟踪式光伏支架。针对江苏省特殊的强风天气，建立了一座并网式光伏电站模型。考虑江苏当地气象环境，分析作用在光伏支架上的载荷，采用有限元方法对光伏支架进行静力学分析。为掌握光伏支架结构的动力特性，对其进行模态分析，计算了光伏支架前6阶模态。结果表明：该支架具有智能追光和主动避风的功能，解决了传统杆式追光光伏面板支架刚度小、抗风能力差的问题；采取光电式与程序式混合的追光模式来检测太阳光的高度和方位，在确保追光系统精度的同时，还具有较高的稳定性；在水平风和垂直风作用下，该自适应光伏支架能满足12级风速下的强度要求；第一阶频率9.84Hz，远大于实际风的频率，不易引起风致共振的破坏，具有较好的稳定性。
关键词：光伏电站；光伏支架；自适应；面板可折叠；追光模式；载荷；仿真分析
引言
目前，光伏地面电站建设地点多在荒漠、戈壁，以及一些条件相对较好的屋顶、山地、渔塘、滩涂等地方；而坡度起伏较大、植被较高的山地，地质条件较差的滩涂，水位深、跨度大的渔塘，以及一些大型污水处理厂等地方，由于受限于传统支架安装方式的要求而不能被充分利用。因此，改变传统支架的安装方式，充分利用地形条件较差而光资源较好的山地、渔塘等地方，是推动光伏产业健康快速发展的有效途径。
1光伏支架的选择
光伏支架的设计原则是结构稳固、质量最小。查阅资料，江苏地区光伏支架系统的最佳倾角为30°，以此进行支架的抗风计算，合格的支架系统的砼支墩应不小于400mm×400mm×400mm，砼支墩横向间距(支架的跨度)小于等于2m。这样的支架系统恒载荷很大，会大幅减少建筑物的载荷安全余量，需要进一步优化，以提高建筑物的安全系数。减少支架系统砼支墩质量的最好办法是缩小支架的倾角，这样，组件背面风力的倾覆力矩会变小。首先，笔者比较了江苏稳润光电有限公司厂房几种角度的排布率，发现15°倾角比最佳倾角30°的排布率增加25%。其次，使用PVSYST软件进行系统模拟计算，相比30°倾角，15°倾角的支架的发电效率仅降低了2%，如图1所示。再次，15°倾角对组件发电效率和组件雨水自洁影响不大。笔者初步确定按照15°倾角进行支架的设计、效验和计算。
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图1 PVSYST 软件分析 15°倾角
2光伏支架载荷设计
光伏支架的设计载荷一般包括结构本身的自重、风载荷、雪载荷和地震载荷等。结构自重为光伏支架系统重量的总和。风载荷为光伏支架上的风压。雪载荷为作用在光伏支架面上的积雪重量。地震载荷为加在支撑物上的水平地震力。对于钢结构支架，地震载荷一般比风载荷小得多。考虑到江苏省的气候环境，光伏支架设计时主要考虑风载荷。风作用于结构上会形成风载荷。风载荷是室外结构设计时需要首要考虑的外载。一般风载荷可分为静载和动载。由于风的速度及方向在时间和空间上具有极强的随机性，几乎无法提前做出预测。为了更好地研究风对结构的影响，一般把风分为平均风与脉动风。平均风的周期一般可达10min（频率远小于1Hz），而大多地面上的结构的低阶自振周期远远小于平均风的周期，也即地面上的结构的一阶振动频率高于平均风的振动频率，不会发生共振破坏。而脉动风的周期则明显较短，大多数情况下其周期只有几秒钟（频率低于1Hz），所以假如结构的自振周期接近脉动风的周期，也即结构的自振频率接近脉动风的振动频率时，就有可能使结构产生共振，导致结构的破坏。所以光伏支架的设计应该考虑自身的振动频率，要求自身的振动频率高于脉动风的频率，也就是要高于1Hz。
3算例分析
3.1组件支架单元设计
该项目采用72片光伏电池组件，并以组件长边水平横置方式安装在支架系统上，这种组件长边横置安装方式有利于减少发生水平阴影遮挡时的造成的组件输出损失。如光伏组件竖向放置，最下一排电池片被遮挡时，三只旁路二极管将全部导通，理论上整块光伏组件将几乎没有功率输出；如组件横向放置，最下一排电池片被遮挡时，仅有一只旁路二极管导通，其输出功率约为正常输出功率的2/3；因此横向方式因遮挡引起的损失更小。
3.2荷载组合
根据柔性支架安全情况，荷载组合可分为仅考虑结构自重、考虑自重与雪荷载共同作用、考虑自重与风荷载共同作用下的3种情况。这3种受力情况下荷载计算与组合形式不同，受力分析时，对不同的荷载效应进行组合，形成不同工况。同时，环境温度的变化会导致钢绞线膨胀或收缩，从而造成预应力的变化，并引起钢绞线位移增大或缩小。因此，一方面应保证在温度上升达到设计最高值时，钢绞线位移仍然满足刚度条件；另一方面保证在温度降低到最低值时，钢绞线应力不超限。
3.3支架系统的恒载荷计算
1)C型钢约1．88kg/m。每跨支架有3根长度为2m的C型钢横梁，质量为11．28kg;1根2．2m的C型钢纵梁，质量为4．14kg;总长为0．72m的C型钢前后立柱，质量为1．36kg。综合后，每跨支架C型钢钢结构的总质量为16．78kg。2)每跨支架2个砼支墩，砼密度约为2500kg/m3，前支墩为0．4m×0．4m×0．2m，质量为80kg;后支墩为0．4m×0．4m×0．3m，质量为120kg。3)项目所采用的组件为1．65m×0．99m，组件单质量约19kg，采用双排横排结构。每平方米的组件质量为11．63kg。每跨长度为2m，宽度为2m，每跨组件的质量为46．52kg。4)每跨光伏支架的总恒载荷F跨恒载荷=16．78+200+46．52=263．30(kg)。
3.4模态计算
通常，对太阳能光伏结构的主要危害是风载，尤其是由于风载所引发的结构受迫振动，所以了解结构的动力特性尤为重要。对结构进行动力分析必须要掌握结构的动力特性，因此对本文提出的光伏支架进行模态分析，计算得到的光伏支架前6阶模态。
3.5检修维护
采用柔性支架的光伏电站检修及维护相对常规地面电站难度要大。常规地面电站常采用风吹或水洗的方式，而因柔性支架离地高度较高，因此一般只能采用水冲的方式；同时，对出现质量问题的组件，更换难度也偏大。因此，在组件采购时应严格质量检测及管理，避免后期因质量原因产生的组件更换。
结语
针对传统光伏支架抗强风能力差、发电效率不高的问题，提出了一种具有智能追光、主动避风功能的自适应光伏支架。仿真分析表明，该光伏支架可满足12级风载的强度，一阶频率为9.84Hz，远远高于风的振动频率，不容易产生共振而破坏，具有较好的稳定性。该自适应光伏支架可应用于江苏省这种强风自然环境的省份，对其他省份也有重要的借鉴意义。
参考文献:
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论文作者:王纪军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/13
标签：支架论文; 光伏论文; 载荷论文; 结构论文; 组件论文; 倾角论文; 频率论文; 《电力设备》2019年第23期论文;