山地光伏支架系统解决方案

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 黄华 何银涛

0 引言

随着我国光伏发电事业的大力发展，目前西北地区大量荒漠、戈壁滩等光伏并网电站可利用的较平整场地已越来越少，现在一些企业已经将目光投向了山地、屋顶及与农业相结合的农业大棚等电站载体上。本文着重对山地光伏支架系统[1]与一般光伏支架系统进行对比分析，为改善山地光伏支架系统的受力问题提供参考。

1 对比分析

荒漠光伏电站相对于山地光伏电站，项目场地地形起伏较小，支架系统也具有一定的调节能力，一般采取调平处理[2]。山地光伏电站项目场地均为山地，地形起伏较大，坡度一般约在10°～25°，支架系统自身的调节量已不能抵消地势变化。引起的高度差，既然不能采用调平处理的方式，只能采用“放坡处理”的方式，如图1、图2所示。

由于荒漠光伏电站支架系统采用了高平处理，即相邻两榀支架斜梁处于同一水平面内，横梁与斜梁为面接触，连接处受力均匀，正常情况下不会产生局部变形、撕裂等破坏。而山地电站项目支架系统采用了放坡处理，即相邻的两榀支架斜梁不在同一水平面内，如果继续延用荒漠电站支架系统会导致横梁与斜梁的面接触变为线接触，如图3、图4所示，横梁与斜梁连接处受力不均匀，易产生局部变形、撕裂等破坏。

图1 荒漠电站支架系统－调平处理(单位：mm)

图2 山地电站支架系统－放坡处理(单位：mm)

图3 荒漠电站斜梁与横梁连接示意

图4 山地电站斜梁与横梁连接示意

2 山地光伏支架适应性设计

为解决荒漠光伏电站支架系统应用于山地地形所产生的受力不均匀问题，现提出以下解决方案。

2.1 方案一

在立柱与斜梁连接处增加双向铰连接件(见图5)，即可满足斜梁南北方向倾斜达到最佳倾角，又可使斜梁东西方向倾斜达到与横梁紧密连接，避免了斜梁与横梁的线接触问题。优点是一榀支架只需增加两套铰连接件，成本较低；缺点是安装后斜梁重心偏移，不在立柱几何中心处，会导致斜梁与横梁连接处产生较大的应力，对材料强度要求较高。

图5 立柱顶增加铰连接件示意图

2.2 方案二

图6 斜梁与横梁连接处增加铰连接件

在斜梁与横梁连接处增加铰连接件(见图6)，通过连接件转换分别使斜梁、横梁同时与铰连接件实现面接触，从而改善横梁的受力情况。优点是解决了斜梁重心偏移的问题，各部分受力更合理；缺点是一榀支架需增加4套铰连接件，材料成本费用较高。

3 应力分析

因山地光伏支架与荒漠电站支架的主要区别在于增加了铰连接件，故本文着重对铰连接件进行应力分析。初始条件：基本风压0.3 kN/m2，基本雪压0.2 kN/m2，电池组件1650 mm×992 mm×40 mm、19 kg。SAP2000进行结构校核显示该结构在多种荷载组合工况下均稳定(如图7所示)。根据上、下板风吸力、风压力不同，计算后将面荷载转换成集中力作用于铰连接件处。方案一的铰连接件受力分解如图8所示，方案二的铰连接件受力分解如图9所示。

图7 结构稳定性校核

图8 方案一铰连接件受力分解

图9 方案二铰连接件受力分解

使用有限元分析软件分别对铰连接件进行受力分析如图10、图11所示。

图10 方案一铰连接件应力分析(单位：MPa)

图11 方案二铰连接件应力分析(单位：MPa)

由校核结果可知，在同等受力条件下，方案一铰连接件1、2最大应力分别为250.7 MPa、143.07 MPa，方案二铰连接件1、2最大应力分别为130.81 MPa、128.67 MPa。方案二铰连接件应力明显小于方案一铰连接件应力。

4 工程应用实例

本文所述两种方案为解决荒漠电站支架系统应用于山地地形所产生的受力不均匀问题提供了参考，其中方案一已在国内某大型山地项目中实施应用(见图12)，效果较为理想。方案二为准备实施于国内某大型山地项目的方案(见图13)，效果有待验证。

图12 方案一工程应用

图13 方案二工程样品

5 结束语

随着西北地区可用于建设光伏电站的较平整场地的减少，山地光伏电站将会越来越多，解决山地光伏电站支架系统受力问题是推广山地光伏电站的首要条件。本文所述两种方案为解决荒漠电站支架系统应用于山地地形所产生的受力不均匀问题提供了参考，并于国内某山地项目中实施应用，效果较为理想，有利于山地光伏电站的推广应用。

[1](日)太阳光发电协会. 太阳能光伏发电系统的设计与施工[M]. 北京: 科学出版社，2006，13－72.

[2]GB 50797-2012， 光伏发电站设计规范[S].