太陽能雜志：光伏組件柔性支架技術方案

本文介紹了針對條件較差地區的光伏組件柔性支架的方案，并對該支架的關鍵技術點提出合理建議。

      柔性支架采用兩固定點之間張拉預應力鋼絞線的方式，兩固定點采用鋼性基礎提供反力，可實現10～30 m大間距。這種設計可規避山地起伏、植被較高等不利因素，僅在合適的部位設置基礎點并張拉預應力鋼絞線；同時在水深較深的漁塘也可以在保持水位不動的條件下，實現基礎及柔性支架的施工。

      設計中，鋼絞線作為組件安裝的固定支架，計算時需考慮自重，以及風壓、雪壓不同荷載組合下的工況，并進行受力分析。區別于傳統支架的剛性變形要求的嚴格限制( 主梁為L/250，次梁為L/200[1])，柔性支架對變形沒有嚴格限制，目前可根據實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性能，因此，柔性支架可以更好地適應大跨度方案，同時可控制好總造價。

      柔性支架方案是把傳統鋼性支架方案的檁條改為鋼絞線的方式，其特點是鋼絞線采用先線法提供預拉力，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)，從而實現10～30 m 的大跨度支架，可滿足不同地形的需要。由于鋼絞線張拉預應力的存在，柱頂均會產生較大的水平拉力，導致基礎底部彎矩較大，因此一般設計采用在柱頂用斜拉或支撐的方案平衡預拉力產生的水平力，以滿足柱底抗傾覆的受力要求。

      根據柔性支架的整體設計方案及受力特點，基礎形式可采用圖1、圖2 兩種形式。

      1) 基礎方案1：采用兩個基礎，一個是鋼立柱基礎，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，承擔鋼絞線產生的水平力，并承擔向上的拉力及向右的拉力，斜拉索基礎屬于配重式。

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

      根據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，以減小應力集中；同時鋼絞線張拉安裝方便，便于縮短工期、節省造價。

      由于柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調的優勢，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，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，突破傳統支架受限于水深、區域大小等條件，通過柔性支架10～30 m 的大跨度方案優勢，以及中間可另設支撐柱等方案，解決漁塘、灘涂等地區傳統支架無法施工及安裝的難點；

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

      光伏組件柔性支架系統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。這是一種新型結構，在行業規范與標準中沒有充足的設計依據；且該系統利用張緊的鋼絞線的軸向拉力抵抗組件重力、雪荷載和風荷載等橫向荷載，屬于幾何非線性受力體系，受力與變形特征復雜。

      為了合理設計柔性支架系統，保證其在不同工況下能夠安全服役，同時也為其后續設計優化提供支撐，有必要研究不同工況下支架系統的受力與變形規律。

      受力計算時可采用理論分析與數值模擬兩種方法，兩種方法互相驗證、互相補充。

      柔性支架的設計需考慮自重、風壓、雪壓不同荷載組合下的工況受力。對于主要受力結構，垂直于建筑物表面上的風荷載標準值wk 為：wk=βz μ s μzw0 (1)式中，βz 為高度z 處的風振系數；μ s 為風荷載體型系數；μ z 為風壓高度變化系數；w0 為基本風壓。對公式中的參數取值重點說明：

      1) 計算基本風壓時，因空氣密度越大，風壓也越大，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) 風壓高度變化系數應按實際高度考慮，如組件高度為10 m 情況下，根據GB5009-2012《建筑結構荷載規范》，A 類的風壓高度變化系數為1.28，B 類為1.00，C 類為0.65，D 類為0.51。

      3) 風振系數：組件為風敏感結構，應考慮風壓脈動對結構產生風振的影響。如組件高度為10 m 時，根據GB 5009-2012《建筑結構荷載規范》，則不同地面粗糙度時的風振系數分別為：A 類1.60、B 類1.70、C 類2.05、D 類2.40。

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

      根據柔性支架安全情況，荷載組合可分為僅考慮結構自重、考慮自重與雪荷載共同作用、考慮自重與風荷載共同作用下的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，對不同的荷載效應進行組合，形成不同工況。同時，環境溫度的變化會導致鋼絞線膨脹或收縮，從而造成預應力的變化，并引起鋼絞線位移增大或縮小。因此，一方面應保證在溫度上升達到設計最高值時，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，鋼絞線應力不超限。

      1) 應先張拉前( 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力損失。

      2) 若將前鋼絞線預應力直接張拉至期望值，則由于后鋼絞線未張緊，端柱會產生較大扭矩，發生扭轉變形。這不僅威脅結構安全，同時會造成前鋼絞線連接處在張拉過程中位移增大，影響預應力控制精度。為了避免端柱截面產生較大扭矩，可進行多遍張拉。例如，第1 遍張拉將前鋼絞線預應力張拉至0.2 倍預應力，再將后鋼絞線張拉至0.2 倍預應力；第2 遍張拉前鋼絞線至0.4倍預應力，再將后鋼絞線張拉至0.4 倍預應力；如此循環直到達到期望預應力值。

      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，鋼絞線應左右對稱張拉，以避免張拉過程造成搖擺柱側向受力。

      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應力相同，對端柱及中柱的作用力相同，因此設計中除根據實際情況考慮跨度外，優先選擇長跨度方案。

      2) 中柱為搖擺柱時，計算表明搖擺柱與鋼絞線在迎面來風時側向轉運明顯，與鋼絞線組成幾何可變體系，不穩定，因此應從構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設為鉸接，避免鋼絞線局部彎曲過大，強度失效。

     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

       3.2.1 施工安裝

     采用柔性支架的光伏電站與常規地面光伏電站的施工不同。

      1) 柔性支架基礎一般采用混凝土獨立基礎，立柱采用焊接H 型鋼柱，獨立基礎與鋼柱均比常規地面支架的基礎及立柱要大很多。

      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) 鋼絞線的張拉技術含量較大，需要專業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相對常規地面電站難度要大。常規地面電站常采用風吹或水洗的方式，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，對出現質量問題的組件，更換難度也偏大。因此，在組件采購時應嚴格質量檢測及管理，避免后期因質量原因產生的組件更換。

      我國光伏發電項目柔性支架尚處于探索階段，實際案例為數不多，已建成項目以污水處理廠為主，尚未出現用于山地、水塘、漁塘等地的柔性支架。由于目前西北地區荒漠、戈壁用地緊張，在條件良好的山地越來越少的局面下，傳統支架的適用局限性越來越嚴重，而柔性支架具有跨度大且跨度范圍靈活可調的優勢，在光伏產業發展的道路上更具有推動意義。