太陽能光伏系統安裝支架結構設計分析及典型應用場合

一、引言

太陽能光伏系統安裝支架結構是光伏電站長期、穩定、安全運行的重要保障。光伏支架素有撐起整個光伏系統的美喻。本文重點介紹了光伏系統中多種典型安裝結構，從保證系統發電量、安全性、結構穩定性和可靠性等方面進行分析，提出了光伏系統安裝支架設計或選用中應重點關注的問題，并提出理論力學分析、有限元分析和試驗測試分析多種優化核算方法，確保光伏支架結構達到可靠性和經濟性的完美統一。

二、典型安裝結構應用介紹

本文主要從安裝場合進行分類，根據多年來光伏電站建設的實際情況，光伏系統多安裝于以下場合：

2.1瓦屋頂安裝系統（含陶瓷瓦、石板瓦、瀝青瓦等類型）

瓦屋頂安裝系統一般為居民戶用系統，尤以歐美、英國、澳洲等發達國家的別墅住宅和國內高端別墅和農村住宅為主。此類安裝系統的單量一般較小，多為2KW~10KW的小系統。瓦屋頂的安裝需根據房屋的構造（瓦形、支撐梁的材質及跨距、坡度等）、氣象如風壓、雪壓等信息進行設計。圖1中所示的安裝結構和彎鉤配件可以適用國內外多數的瓦屋頂安裝。

2.2彩鋼瓦屋頂安裝系統（含梯形瓦、角馳型、直立鎖邊型）

彩鋼瓦屋頂安裝系統以工業廠房居多，在工業園區較為普遍。此安裝的結構形式如圖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，應該優先選用夾具夾持的安裝結構形式，該結構安裝方便，不破壞屋面，無漏水問題。

　　　圖1瓦屋頂主要安裝結構形式及常用彎鉤配件   　 圖2彩鋼瓦屋頂主要安裝結構形式及常用支撐配件

2.3鋼筋混泥土平屋頂安裝系統

混凝土平屋頂安裝系統也主要以工業廠房居多。此類屋頂多采用不破壞屋面的配載式安裝形式，通過荷載計算確定需配載的重量，采用開槽式水泥壓塊或配載托盤進行壓載固定，此結構形式如圖3所示。圖4和5給出了天合光能自主開發的擁有自主知識產權的集成安裝支架的一體化組件和雙向支架產品，一體化組件產品具有以下顯著特點：（1）革新的創意，支架預安裝；（2）更少的配件，更簡單的物流；（3）快速安裝，操作簡易；（4）自帶接地連接。

圖3平屋頂常用安裝結構形式圖   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

2.4地面安裝系統

地面安裝系統以大型光伏電站為主，多規劃建設于太陽能資源豐富地區的沙漠、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。采用跟蹤式對系統發電量增益明顯，但占用面積大、造價、運營維護成本高，綜合考慮經濟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）水泥基礎式                 （c）插裝式

　　圖6常用的地面安裝結構形式

三、系統安裝支架結構設計及選用關鍵技術

光伏安裝支架首先需保證適合于安裝場合，盡可能與安裝環境有機的融為一體，在保證安裝牢固、可靠、穩定的同時，盡可能美觀。

3.1適用性要求

前面介紹到光伏系統可以安裝于多種場合，不同的場合和環境，甚至同一類的安裝系統，根據不同的屋頂構造、周圍環境、氣象信息等都會要求采用不同的安裝結構，因此，需對安裝現場進行詳細的現場勘查以設計采用與光伏系統最匹配的結構形式。

3.2強度、剛度、穩定性和可靠性要求

結構設計應滿足強度、剛度、穩定性的要求，設計使用年限不應小于25年。可靠性直接影響系統的發電量進而影響投資收益，而25年的使用壽命對系統的可靠性提出了較高的要求，這需要系統在惡劣的氣候如暴風雨、暴雪甚至地震、洪水等自然災害發生時仍能穩定、可靠的運行。同時要避免出現材料過早老化、腐蝕嚴重等問題。安裝結構的強度、剛度及穩定性設計需按所受荷載效應組合（自重、風荷載、雪荷載、檢修荷載等組合）中最不利的情況進行設計。

3.3發電量保證與經濟性要求

光伏系統設計中，組件安裝傾角與間距是兩個非常重要的參數，直接影響系統的發電量。安裝傾角和方位角一般由所在地的緯度和安裝場合的特點決定，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行設計。天合光能小系統技術部在實際工程設計中通過采用RETScreen、PVSYST等專業軟件對不同傾角的系統發電量、系統費用、占地面積（占地費用）等進行綜合的經濟性評估以求獲得**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在設計和建設過程中需注意以下問題：（1）需對建筑的承載力進行核算，確認是否可以安裝或需進行加固后再安裝；（2）應避免破壞屋面的原防水層，如破壞時，需重新進行防水處理，確保無漏水問題，設計中應優先選用不破壞屋面的形式；（3）光伏陣列應避免跨越建筑的伸縮縫、沉降縫、變形縫進行安裝，以避免建筑物發生變形位移時造成組件漏電、脫落等故障；（4）光伏組件作為陽臺圍護安裝時，需滿足相關建筑規范要求，如中層、高層住宅的陽臺欄板不應低于1.1m；（5）平行于屋面安裝時，應留有足夠的通風和散熱間隙，通風散熱不暢會對系統發電量有所影響；（6）光伏安裝結構的設計和選用應考慮施工的安全性和便捷性，尤其是高空和復雜的屋頂安裝系統需特別考慮。

四、結構性能分析

光伏系統無論是安裝在什么場合，均需保證支架本身的抗風、雪等性能，為了保證光伏系統在25年的使用壽命期內安全、可靠地運行，避免出現陣列倒塌、被掀翻等問題，需對安裝結構進行承載能力、剛度、穩定性的校核和驗算。

4.1理論力學分析

目前針對光伏安裝結構荷載計算的規范尚未形成。一般可按照《建筑結構荷載規范》中的要求進行核算。此規范中關于風荷載和雪荷載的計算公式分別為：wk=βz*μs*μz*wo和sk=μr*so，具體分析計算中還需考慮系數的準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為風荷載標準值（kN/m2）；βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；wo為基本風壓（kN/m2）；sk為雪荷載標準值（kN/m2）；μr為屋面積雪分布系數；so為基本雪壓（kN/m2）。

4.2有限元軟件分析

支架結構分析可以采用結構分析軟件PKPM或SAP2000進行優化校核，也可以采用ANSYS、ABQUS等FEA分析軟件進行校核。圖7中給出的是某項目安裝支架結構的SAP2000分析模型和結果圖，圖8中給出了利用ANSYS進行零配件校核的示例圖。

4.3試驗測試分析

通常可以進行以下實驗測試校核安裝結構的性能：（1）通過化學成分檢測確保所用材料的質量；（2）采用膜厚儀對熱浸鋅鋼膜厚和鋁合金陽極氧化膜厚進行測試，確保產品具有足夠的抗腐蝕性能；（3）通過鹽霧試驗對材質的抗腐蝕性能做進一步的測試，確保25年的使用壽命；（4）通過抗拉拔力測試可以測試安裝配件抗正風壓的拉拔力，確保安裝系統的可靠性；（5）通過風洞試驗可以準確獲得安裝結構的風荷載體型系數，可以準確的核算出支架的承載能力，但風洞試驗成本較高，因此在實際光伏支架設計中應用較少，在一些新產品的開發中可能會用到。

五、結語

光伏電站建設初期，光伏支架產品沒有受到應有的重視，隨著安裝量的增加，問題逐漸暴漏出來，給項目工程造成了巨大的損失。從長遠來看，提高安裝支架的性能和質量可以使系統25年安全、可靠地運行，相信這對于保證投資效益的**化是非常必要和正確的。本文提出的支架設計中應關注的問題以及結構優化核算方法可以有效的使光伏系統安裝結構達到可靠性和經濟性的完美統一。

來源：光伏排行榜