太陽能雜志：光伏組件柔性支架技術(shù)方案

本文介紹了針對條件較差地區(qū)的光伏組件柔性支架的方案，并對該支架的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)提出合理建議。

      柔性支架采用兩固定點(diǎn)之間張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線的方式，兩固定點(diǎn)采用鋼性基礎(chǔ)提供反力，可實(shí)現(xiàn)10～30 m大間距。這種設(shè)計可規(guī)避山地起伏、植被較高等不利因素，僅在合適的部位設(shè)置基礎(chǔ)點(diǎn)并張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線；同時在水深較深的漁塘也可以在保持水位不動的條件下，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)及柔性支架的施工。

      設(shè)計中，鋼絞線作為組件安裝的固定支架，計算時需考慮自重，以及風(fēng)壓、雪壓不同荷載組合下的工況，并進(jìn)行受力分析。區(qū)別于傳統(tǒng)支架的剛性變形要求的嚴(yán)格限制( 主梁為L/250，次梁為L/200[1])，柔性支架對變形沒有嚴(yán)格限制，目前可根據(jù)實(shí)際情況采用撓度容許值L/30～L/15，在這種變形條件下不影響鋼絞線的力學(xué)性能，因此，柔性支架可以更好地適應(yīng)大跨度方案，同時可控制好總造價。

      柔性支架方案是把傳統(tǒng)鋼性支架方案的檁條改為鋼絞線的方式，其特點(diǎn)是鋼絞線采用先線法提供預(yù)拉力，組件安裝后在不同工況受力條件下允許鋼絞線有一定的變形( 本文按撓度容許值L/30 論述)，從而實(shí)現(xiàn)10～30 m 的大跨度支架，可滿足不同地形的需要。由于鋼絞線張拉預(yù)應(yīng)力的存在，柱頂均會產(chǎn)生較大的水平拉力，導(dǎo)致基礎(chǔ)底部彎矩較大，因此一般設(shè)計采用在柱頂用斜拉或支撐的方案平衡預(yù)拉力產(chǎn)生的水平力，以滿足柱底抗傾覆的受力要求。

      根據(jù)柔性支架的整體設(shè)計方案及受力特點(diǎn)，基礎(chǔ)形式可采用圖1、圖2 兩種形式。

      1) 基礎(chǔ)方案1：采用兩個基礎(chǔ)，一個是鋼立柱基礎(chǔ)，主要提供柔性支架豎向力的反力；另需配備一個斜拉索基礎(chǔ)，承擔(dān)鋼絞線產(chǎn)生的水平力，并承擔(dān)向上的拉力及向右的拉力，斜拉索基礎(chǔ)屬于配重式。

      2) 基礎(chǔ)方案2：采用兩個基礎(chǔ)，一個是鋼立柱基礎(chǔ)，主要提供柔性支架豎向力的反力；另需配備斜撐柱基礎(chǔ)，承擔(dān)鋼絞線產(chǎn)生的拉力，且鋼絞線對斜撐柱基礎(chǔ)產(chǎn)生向下壓力及向右的推力。斜撐柱基礎(chǔ)底面積相對基礎(chǔ)方案1 略小。

      根據(jù)光伏組件的排布方式，柔性支架方案可分為橫排和豎排兩種( 見圖3、圖4)；根據(jù)跨長可采用單跨和多跨的方案，但因場地條件限制，單跨往往不能滿足需要，則需要采用二跨、三跨，甚至更多，中間支座可采用搖擺柱方式有效控制鋼絞線的撓度。

      支架與端柱及中間柱的連接均要求采用鉸接固定方式，以減小應(yīng)力集中；同時鋼絞線張拉安裝方便，便于縮短工期、節(jié)省造價。

      由于柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調(diào)的優(yōu)勢，因此其適用范圍更廣，包括：

      1) 適用山地坡度、起伏較大的地區(qū)，同時不受植被高低等因素的影響；

      2) 適用于漁塘、灘涂等地區(qū)，突破傳統(tǒng)支架受限于水深、區(qū)域大小等條件，通過柔性支架10～30 m 的大跨度方案優(yōu)勢，以及中間可另設(shè)支撐柱等方案，解決漁塘、灘涂等地區(qū)傳統(tǒng)支架無法施工及安裝的難點(diǎn)；

      3)適用于污水廠水池頂部，因污水廠水處理工藝的要求，大體積水池內(nèi)部無法安裝支架基礎(chǔ)，柔性支架可巧妙規(guī)避這一難點(diǎn)，使污水廠水池建設(shè)光伏電站成為可能。

      光伏組件柔性支架系統(tǒng)是一種新型的支撐體系，通過將光伏組件固定在張緊于兩柱間的鋼絞線上的方式來簡化組件支架系統(tǒng)。這是一種新型結(jié)構(gòu)，在行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中沒有充足的設(shè)計依據(jù)；且該系統(tǒng)利用張緊的鋼絞線的軸向拉力抵抗組件重力、雪荷載和風(fēng)荷載等橫向荷載，屬于幾何非線性受力體系，受力與變形特征復(fù)雜。

      為了合理設(shè)計柔性支架系統(tǒng)，保證其在不同工況下能夠安全服役，同時也為其后續(xù)設(shè)計優(yōu)化提供支撐，有必要研究不同工況下支架系統(tǒng)的受力與變形規(guī)律。

      受力計算時可采用理論分析與數(shù)值模擬兩種方法，兩種方法互相驗(yàn)證、互相補(bǔ)充。

      柔性支架的設(shè)計需考慮自重、風(fēng)壓、雪壓不同荷載組合下的工況受力。對于主要受力結(jié)構(gòu)，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk 為：wk=βz μ s μzw0 (1)式中，βz 為高度z 處的風(fēng)振系數(shù)；μ s 為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μ z 為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0 為基本風(fēng)壓。對公式中的參數(shù)取值重點(diǎn)說明：

      1) 計算基本風(fēng)壓時，因空氣密度越大，風(fēng)壓也越大，為安全起見，取-20 ℃時的空氣密度值，即1.396 kg/m3(20 ℃時為1.205 kg/m3)。

      2) 風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)按實(shí)際高度考慮，如組件高度為10 m 情況下，根據(jù)GB5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，A 類的風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.28，B 類為1.00，C 類為0.65，D 類為0.51。

      3) 風(fēng)振系數(shù)：組件為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生風(fēng)振的影響。如組件高度為10 m 時，根據(jù)GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，則不同地面粗糙度時的風(fēng)振系數(shù)分別為：A 類1.60、B 類1.70、C 類2.05、D 類2.40。

      4) 風(fēng)荷載體型系數(shù)是指風(fēng)作用在構(gòu)筑物表面一定面積范圍內(nèi)所引起的平均壓力( 或吸力) 與來流風(fēng)的速度壓的比值，它主要與構(gòu)筑物的體型和尺度有關(guān)，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。

      根據(jù)柔性支架安全情況，荷載組合可分為僅考慮結(jié)構(gòu)自重、考慮自重與雪荷載共同作用、考慮自重與風(fēng)荷載共同作用下的3 種情況。這3 種受力情況下荷載計算與組合形式不同，受力分析時，對不同的荷載效應(yīng)進(jìn)行組合，形成不同工況。同時，環(huán)境溫度的變化會導(dǎo)致鋼絞線膨脹或收縮，從而造成預(yù)應(yīng)力的變化，并引起鋼絞線位移增大或縮小。因此，一方面應(yīng)保證在溫度上升達(dá)到設(shè)計最高值時，鋼絞線位移仍然滿足剛度條件；另一方面保證在溫度降低到最低值時，鋼絞線應(yīng)力不超限。

      1) 應(yīng)先張拉前( 下) 鋼絞線，后張拉后( 上)鋼絞線。張拉后鋼絞線時對前鋼絞線的影響較小，而張拉前鋼絞線會造成后鋼絞線較多的應(yīng)力損失。

      2) 若將前鋼絞線預(yù)應(yīng)力直接張拉至期望值，則由于后鋼絞線未張緊，端柱會產(chǎn)生較大扭矩，發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。這不僅威脅結(jié)構(gòu)安全，同時會造成前鋼絞線連接處在張拉過程中位移增大，影響預(yù)應(yīng)力控制精度。為了避免端柱截面產(chǎn)生較大扭矩，可進(jìn)行多遍張拉。例如，第1 遍張拉將前鋼絞線預(yù)應(yīng)力張拉至0.2 倍預(yù)應(yīng)力，再將后鋼絞線張拉至0.2 倍預(yù)應(yīng)力；第2 遍張拉前鋼絞線至0.4倍預(yù)應(yīng)力，再將后鋼絞線張拉至0.4 倍預(yù)應(yīng)力；如此循環(huán)直到達(dá)到期望預(yù)應(yīng)力值。

      3)若搖擺柱對鋼絞線軸向變形無約束，鋼絞線可單邊張拉；若搖擺柱約束鋼絞線軸向位移，鋼絞線應(yīng)左右對稱張拉，以避免張拉過程造成搖擺柱側(cè)向受力。

      1) 因短跨度方案與長跨度方案相同條件下所需要的鋼絞線預(yù)應(yīng)力相同，對端柱及中柱的作用力相同，因此設(shè)計中除根據(jù)實(shí)際情況考慮跨度外，優(yōu)先選擇長跨度方案。

      2) 中柱為搖擺柱時，計算表明搖擺柱與鋼絞線在迎面來風(fēng)時側(cè)向轉(zhuǎn)運(yùn)明顯，與鋼絞線組成幾何可變體系，不穩(wěn)定，因此應(yīng)從構(gòu)造上從中柱頂端提供有效水平力，避免中柱抗彎受力。

3) 計算表明，鋼絞線直接錨固于柱體上時，鋼絞線在柱體連接處彎曲變形明顯，鋼絞線與端柱相接處應(yīng)設(shè)為鉸接，避免鋼絞線局部彎曲過大，強(qiáng)度失效。

     適用范圍對比表2為柔性支架與普通支架適用范圍的對比。

       3.2 施工安裝及檢修維護(hù)

       3.2.1 施工安裝

     采用柔性支架的光伏電站與常規(guī)地面光伏電站的施工不同。

      1) 柔性支架基礎(chǔ)一般采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，立柱采用焊接H 型鋼柱，獨(dú)立基礎(chǔ)與鋼柱均比常規(guī)地面支架的基礎(chǔ)及立柱要大很多。

      2) 受柔性支架跨度較大且離地高度較高的影響，一般采用安全繩懸掛施工人員進(jìn)行安裝的方式，相比地面施工方式增加了施工難度及不安全因素。

      3) 鋼絞線的張拉技術(shù)含量較大，需要專業(yè)的施工單位才可以完成。

      采用柔性支架的光伏電站檢修及維護(hù)相對常規(guī)地面電站難度要大。常規(guī)地面電站常采用風(fēng)吹或水洗的方式，而因柔性支架離地高度較高，因此一般只能采用水沖的方式；同時，對出現(xiàn)質(zhì)量問題的組件，更換難度也偏大。因此，在組件采購時應(yīng)嚴(yán)格質(zhì)量檢測及管理，避免后期因質(zhì)量原因產(chǎn)生的組件更換。

      我國光伏發(fā)電項(xiàng)目柔性支架尚處于探索階段，實(shí)際案例為數(shù)不多，已建成項(xiàng)目以污水處理廠為主，尚未出現(xiàn)用于山地、水塘、漁塘等地的柔性支架。由于目前西北地區(qū)荒漠、戈壁用地緊張，在條件良好的山地越來越少的局面下，傳統(tǒng)支架的適用局限性越來越嚴(yán)重，而柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調(diào)的優(yōu)勢，在光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路上更具有推動意義。