太陽能光伏系統(tǒng)安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及典型應(yīng)用場(chǎng)合

一、引言

太陽能光伏系統(tǒng)安裝支架結(jié)構(gòu)是光伏電站長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要保障。光伏支架素有撐起整個(gè)光伏系統(tǒng)的美喻。本文重點(diǎn)介紹了光伏系統(tǒng)中多種典型安裝結(jié)構(gòu)，從保證系統(tǒng)發(fā)電量、安全性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性等方面進(jìn)行分析，提出了光伏系統(tǒng)安裝支架設(shè)計(jì)或選用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題，并提出理論力學(xué)分析、有限元分析和試驗(yàn)測(cè)試分析多種優(yōu)化核算方法，確保光伏支架結(jié)構(gòu)達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的完美統(tǒng)一。

二、典型安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)用介紹

本文主要從安裝場(chǎng)合進(jìn)行分類，根據(jù)多年來光伏電站建設(shè)的實(shí)際情況，光伏系統(tǒng)多安裝于以下場(chǎng)合：

2.1瓦屋頂安裝系統(tǒng)（含陶瓷瓦、石板瓦、瀝青瓦等類型）

瓦屋頂安裝系統(tǒng)一般為居民戶用系統(tǒng)，尤以歐美、英國(guó)、澳洲等發(fā)達(dá)國(guó)家的別墅住宅和國(guó)內(nèi)高端別墅和農(nóng)村住宅為主。此類安裝系統(tǒng)的單量一般較小，多為2KW~10KW的小系統(tǒng)。瓦屋頂?shù)陌惭b需根據(jù)房屋的構(gòu)造（瓦形、支撐梁的材質(zhì)及跨距、坡度等）、氣象如風(fēng)壓、雪壓等信息進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1中所示的安裝結(jié)構(gòu)和彎鉤配件可以適用國(guó)內(nèi)外多數(shù)的瓦屋頂安裝。

2.2彩鋼瓦屋頂安裝系統(tǒng)（含梯形瓦、角馳型、直立鎖邊型）

彩鋼瓦屋頂安裝系統(tǒng)以工業(yè)廠房居多，在工業(yè)園區(qū)較為普遍。此安裝的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，不同的彩鋼瓦瓦型可以選用不同的安裝支撐或夾具，應(yīng)該優(yōu)先選用夾具夾持的安裝結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)安裝方便，不破壞屋面，無漏水問題。

　　　圖1瓦屋頂主要安裝結(jié)構(gòu)形式及常用彎鉤配件   　 圖2彩鋼瓦屋頂主要安裝結(jié)構(gòu)形式及常用支撐配件

2.3鋼筋混泥土平屋頂安裝系統(tǒng)

混凝土平屋頂安裝系統(tǒng)也主要以工業(yè)廠房居多。此類屋頂多采用不破壞屋面的配載式安裝形式，通過荷載計(jì)算確定需配載的重量，采用開槽式水泥壓塊或配載托盤進(jìn)行壓載固定，此結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。圖4和5給出了天合光能自主開發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成安裝支架的一體化組件和雙向支架產(chǎn)品，一體化組件產(chǎn)品具有以下顯著特點(diǎn)：（1）革新的創(chuàng)意，支架預(yù)安裝；（2）更少的配件，更簡(jiǎn)單的物流；（3）快速安裝，操作簡(jiǎn)易；（4）自帶接地連接。

圖3平屋頂常用安裝結(jié)構(gòu)形式圖   圖4天合光能集成安裝的一體化組件圖     圖5雙向安裝支架系統(tǒng)

2.4地面安裝系統(tǒng)

地面安裝系統(tǒng)以大型光伏電站為主，多規(guī)劃建設(shè)于太陽能資源豐富地區(qū)的沙漠、戈壁、荒地等非耕用土地上。大型地面光伏電站支架形式有固定式、單軸跟蹤式、雙軸跟蹤式。采用跟蹤式對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量增益明顯，但占用面積大、造價(jià)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性仍以固定式安裝形式為主。圖6中給出了常用的地面安裝形式。由于篇幅原因，就不在此展開跟蹤式的討論。

           （a）螺旋樁式                    （b）水泥基礎(chǔ)式                 （c）插裝式

　　圖6常用的地面安裝結(jié)構(gòu)形式

三、系統(tǒng)安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用關(guān)鍵技術(shù)

光伏安裝支架首先需保證適合于安裝場(chǎng)合，盡可能與安裝環(huán)境有機(jī)的融為一體，在保證安裝牢固、可靠、穩(wěn)定的同時(shí)，盡可能美觀。

3.1適用性要求

前面介紹到光伏系統(tǒng)可以安裝于多種場(chǎng)合，不同的場(chǎng)合和環(huán)境，甚至同一類的安裝系統(tǒng)，根據(jù)不同的屋頂構(gòu)造、周圍環(huán)境、氣象信息等都會(huì)要求采用不同的安裝結(jié)構(gòu)，因此，需對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)勘查以設(shè)計(jì)采用與光伏系統(tǒng)最匹配的結(jié)構(gòu)形式。

3.2強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和可靠性要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求，設(shè)計(jì)使用年限不應(yīng)小于25年?？煽啃灾苯佑绊懴到y(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)而影響投資收益，而25年的使用壽命對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求，這需要系統(tǒng)在惡劣的氣候如暴風(fēng)雨、暴雪甚至地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)仍能穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。同時(shí)要避免出現(xiàn)材料過早老化、腐蝕嚴(yán)重等問題。安裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)需按所受荷載效應(yīng)組合（自重、風(fēng)荷載、雪荷載、檢修荷載等組合）中最不利的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3發(fā)電量保證與經(jīng)濟(jì)性要求

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，組件安裝傾角與間距是兩個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響系統(tǒng)的發(fā)電量。安裝傾角和方位角一般由所在地的緯度和安裝場(chǎng)合的特點(diǎn)決定，安裝傾角和間距一般遵循在冬至日的9：00～15：00組件不被遮擋的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。天合光能小系統(tǒng)技術(shù)部在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中通過采用RETScreen、PVSYST等專業(yè)軟件對(duì)不同傾角的系統(tǒng)發(fā)電量、系統(tǒng)費(fèi)用、占地面積（占地費(fèi)用）等進(jìn)行綜合的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估以求獲得**的收益從而確定**的安裝傾角。

3.4建筑安全性要求

安裝于建筑屋面的光伏系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中需注意以下問題：（1）需對(duì)建筑的承載力進(jìn)行核算，確認(rèn)是否可以安裝或需進(jìn)行加固后再安裝；（2）應(yīng)避免破壞屋面的原防水層，如破壞時(shí)，需重新進(jìn)行防水處理，確保無漏水問題，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用不破壞屋面的形式；（3）光伏陣列應(yīng)避免跨越建筑的伸縮縫、沉降縫、變形縫進(jìn)行安裝，以避免建筑物發(fā)生變形位移時(shí)造成組件漏電、脫落等故障；（4）光伏組件作為陽臺(tái)圍護(hù)安裝時(shí)，需滿足相關(guān)建筑規(guī)范要求，如中層、高層住宅的陽臺(tái)欄板不應(yīng)低于1.1m；（5）平行于屋面安裝時(shí)，應(yīng)留有足夠的通風(fēng)和散熱間隙，通風(fēng)散熱不暢會(huì)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量有所影響；（6）光伏安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選用應(yīng)考慮施工的安全性和便捷性，尤其是高空和復(fù)雜的屋頂安裝系統(tǒng)需特別考慮。

四、結(jié)構(gòu)性能分析

光伏系統(tǒng)無論是安裝在什么場(chǎng)合，均需保證支架本身的抗風(fēng)、雪等性能，為了保證光伏系統(tǒng)在25年的使用壽命期內(nèi)安全、可靠地運(yùn)行，避免出現(xiàn)陣列倒塌、被掀翻等問題，需對(duì)安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力、剛度、穩(wěn)定性的校核和驗(yàn)算。

4.1理論力學(xué)分析

目前針對(duì)光伏安裝結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算的規(guī)范尚未形成。一般可按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的要求進(jìn)行核算。此規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載和雪荷載的計(jì)算公式分別為：wk=βz*μs*μz*wo和sk=μr*so，具體分析計(jì)算中還需考慮系數(shù)的準(zhǔn)確選取和不同荷載的有效組合以確定最不利的受力情況。

式中：wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；wo為基本風(fēng)壓（kN/m2）；sk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；μr為屋面積雪分布系數(shù)；so為基本雪壓（kN/m2）。

4.2有限元軟件分析

支架結(jié)構(gòu)分析可以采用結(jié)構(gòu)分析軟件PKPM或SAP2000進(jìn)行優(yōu)化校核，也可以采用ANSYS、ABQUS等FEA分析軟件進(jìn)行校核。圖7中給出的是某項(xiàng)目安裝支架結(jié)構(gòu)的SAP2000分析模型和結(jié)果圖，圖8中給出了利用ANSYS進(jìn)行零配件校核的示例圖。

4.3試驗(yàn)測(cè)試分析

通常可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試校核安裝結(jié)構(gòu)的性能：（1）通過化學(xué)成分檢測(cè)確保所用材料的質(zhì)量；（2）采用膜厚儀對(duì)熱浸鋅鋼膜厚和鋁合金陽極氧化膜厚進(jìn)行測(cè)試，確保產(chǎn)品具有足夠的抗腐蝕性能；（3）通過鹽霧試驗(yàn)對(duì)材質(zhì)的抗腐蝕性能做進(jìn)一步的測(cè)試，確保25年的使用壽命；（4）通過抗拉拔力測(cè)試可以測(cè)試安裝配件抗正風(fēng)壓的拉拔力，確保安裝系統(tǒng)的可靠性；（5）通過風(fēng)洞試驗(yàn)可以準(zhǔn)確獲得安裝結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)，可以準(zhǔn)確的核算出支架的承載能力，但風(fēng)洞試驗(yàn)成本較高，因此在實(shí)際光伏支架設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，在一些新產(chǎn)品的開發(fā)中可能會(huì)用到。

五、結(jié)語

光伏電站建設(shè)初期，光伏支架產(chǎn)品沒有受到應(yīng)有的重視，隨著安裝量的增加，問題逐漸暴漏出來，給項(xiàng)目工程造成了巨大的損失。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，提高安裝支架的性能和質(zhì)量可以使系統(tǒng)25年安全、可靠地運(yùn)行，相信這對(duì)于保證投資效益的**化是非常必要和正確的。本文提出的支架設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的問題以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化核算方法可以有效的使光伏系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的完美統(tǒng)一。

來源：光伏排行榜