光伏电站支架系统的优化设计研究

朱德志，胡春花，王红林，欧阳菲菲，陈戎军

(镇江高等专科学校 电气与电竞学院，江苏 镇江 212028)

国家通过各种补贴政策促进分布式光伏发电项目的发展，2013年国内装机量超过德国，成为全球第一，截至2017年，连续5年稳居全球首位[1]。分布式光伏发电站可以减少燃煤发电机组的建设，促进碧水蓝天的实现。目前常见的新能源有太阳能、风能、生物质能等，均为分布式电源(Distributed Energy Resource)[2]。近年来，光伏发电技术发展迅速。建设分布式光伏发电站时需要设计最佳光伏支架系统，使得光伏发电系统结构稳固的同时质量最小。笔者对江苏稳润光电有限公司1.3 MW光伏发电项目的光伏支架设计进行分析研究，设计合适的支架系统，使得光伏电站建筑载荷安全、造价合理、发电产出最高。

1 光伏支架的选择

光伏支架的设计原则是结构稳固、质量最小。查阅资料，镇江地区光伏支架系统的最佳倾角为30°，以此进行支架的抗风计算，合格的支架系统的砼支墩应不小于400 mm×400 mm×400 mm，砼支墩横向间距(支架的跨度)小于等于2 m。这样的支架系统恒载荷很大，会大幅减少建筑物的载荷安全余量，需要进一步优化，以提高建筑物的安全系数。

减少支架系统砼支墩质量的最好办法是缩小支架的倾角，这样，组件背面风力的倾覆力矩会变小。首先，笔者比较了江苏稳润光电有限公司厂房几种角度的排布率，发现15°倾角比最佳倾角30°的排布率增加25%。其次，使用PVSYST软件进行系统模拟计算，相比30°倾角，15°倾角的支架的发电效率仅降低了2%，如图1所示。再次，15°倾角对组件发电效率和组件雨水自洁影响不大。笔者初步确定按照15°倾角进行支架的设计、效验和计算。

图1 PVSYST软件分析15°倾角

砼屋面通常采用性价比高的钢结构支架，本项目初步选择质量最小的3横梁双排横排钢结构支架。钢结构支架设计的计算依据为《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)[3]和《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[4]。根据《实用建筑结构静力学计算手册》[5]32进行结构的优化设计。计算后初步确定前支墩为400 mm×400 mm×200 mm，后支墩为400 mm×400 mm×300 mm。钢结构支架的立柱和横梁采用41 mm×41 mm×2 mm的C型钢，厚度为2.0 mm。砼支墩的横向间距初步确定为2 m，支架的纵向间距为1.6 m，如图2所示。

图2 15°倾角的支架安装侧视图

2 光伏支架的抗倾覆计算

2.1 支架系统的恒载荷计算

1) C型钢约1.88 kg/m。每跨支架有3根长度为2 m的C型钢横梁，质量为11.28 kg；1根2.2 m的C型钢纵梁，质量为4.14 kg；总长为0.72 m的C型钢前后立柱，质量为1.36 kg。综合后，每跨支架C型钢钢结构的总质量为16.78 kg。

2) 每跨支架2个砼支墩，砼密度约为2 500 kg/m3，前支墩为0.4 m×0.4 m×0.2 m，质量为80 kg； 后支墩为0.4 m×0.4 m×0.3 m，质量为120 kg。

3) 项目所采用的组件为1.65 m×0.99 m，组件单质量约19 kg，采用双排横排结构。每平方米的组件质量为11.63 kg。每跨长度为2 m，宽度为2 m，每跨组件的质量为46.52 kg。

4) 每跨光伏支架的总恒载荷

F跨恒载荷=16.78+200+46.52=263.30(kg)。

每跨支架的横向间距为2 m，纵向间距为1.6 m，砼支墩占地0.4 m×0.4 m，每平方米恒载荷

2.2 支架系统的风载荷计算

1) 风振系数βz选取。结合《光伏(PV)组件安全鉴定》(IEC 61730)[6]中对光伏组件能承受的风速要求，按照瞬时风速与10 min平均风速的换算关系可计算得到极大风载荷值[7]22，查阅镇江地区气象资料，可知50年一遇基本风压ω0为0.45 kN·m-2，根据《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)，βz取1.0。

2) 风载荷体型系数μs选取。按《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)表7.3.1第29项目，工程支架倾角为15°，则背风面μs1=-1.35，μs2=-0.55； 迎风面μs3=1.35，μs4=0.55。

3) 风压高度系数μz选取。工程所在地地面粗糙度按B级考虑，涉及建筑物最大高度为20 m，按照《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)中表7.2.1，μz取1.25。

4) 每平方米背风面垂直于组件的风载荷(即风锨力)F1计算如下：

2.3 支架系统的抗倾覆计算

1) 风力对组件的倾覆力矩。取一跨支架系统进行受力分析，组件为2块，单块组件的宽度为0.992 m，支架系统跨度为2 m，每跨支架系统的组件面积S=3.968 m2。风载荷F对支架系统的倾覆力矩M1的力臂L1=1.16 m。

M1=FSL1=53.5×3.968×1.16≈
246(kg·m)=2.46(kN·m)。

2) 抗倾覆力矩。按照前述支架系统恒载荷计算结果，前支墩自重(Fa)和后支墩自重(Fb)分别为

如图3所示，抗倾覆力的前支墩的力臂L2=0.2 m，后支墩的力臂L3=0.2+1.598=1.798(m)。抗倾覆力矩

M2=FaL2+FbL3=
1.12×0.2+1.52×1.798≈2.96(kN·m)。

图3 支架风锨力受力图

笔者选型的支架系统抗倾覆力矩M2>倾覆力矩M1，该支架系统的稳固性能符合要求。

3 建筑载荷的评估

1) 支架系统的恒载荷。F恒载荷=0.55 kN·m-2。

2) 光伏支架的风载荷。如图4所示，每平方米迎风面垂直于组件的风载荷(即风压力)F2计算如下：

换算为对地面的垂直压力

F风=53.5×cos 15°≈51.6。

图4 支架风压力受力图

3) 光伏支架的雪载荷。屋面水平投影面上的雪载荷标准值sk=μrs0，μr为屋面积雪分布系数，取1.0，s0为基本雪压，镇江地区s0=0.4 kN·m-2，则组件雪载荷标准值

F雪=sk=μrs0=0.4×1=40(kg·m-2)。

4) 光伏支架的每平方米组合载荷。江苏稳润光电有限公司的厂房为框架砼结构，厂房屋面为上人屋面。按《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)规定的上人屋面设计均布活载荷标准值为2 kN·m-2，屋面均布活载荷和雪载荷不应同时组合。分别按照恒载荷与风载荷组合、恒载荷与雪载荷组合进行计算，则

F3=F恒载荷+F风=55+51.6=106.6(kg·m-2)=
1.06(kN·m-2)。

F4=F恒载荷+F雪=55+40=95(kg·m-2)=
0.95(kN·m-2)。

江苏稳润光电有限公司的厂房为上人屋面，按《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)，目前的支架设计方案符合屋面载荷要求。

4 支架系统优化设计总体结论

江苏稳润光电有限公司厂房光伏支架优化后的选型设计方案符合要求。缩小光伏支架的倾角可以大大减轻光伏支架系统的质量，减少投资额度，提高建筑物屋顶的安全余量，而且发电量未受影响。

5 结束语

分布式光伏项目能大幅减少发电厂把电能传输给用户时的线路传输损耗，有益于社会能源健康发展。光伏支架的优化设计能够在充分利用太阳能资源的同时满足安全和经济投资需要。