摘要：在全球能源供应紧张和环境问题日益严重的情况下，经济和社会的可持续发展受到了巨大挑战，发展和利用清洁而安全的可再生能源受到了广泛的重视。光伏发电是新形势下全新的电能生产方式，具有无污染、利用价值高等特点，呈现出广阔发展空间，本文对光伏支架设计进行简要分析并提出了优化设计方案。
关键词：光伏支架；结构；优化
1光伏电站的特点和光伏支架设计难度
1.1光伏电站特点。在实际中不难发现，光伏电站建设除需要巨额资金、人力物力外，还需要综合考虑各方面因素，比较常见的是：太阳能资源丰富程度、地形因素等。目前建设条件较好的土地资源日趋减少，光伏电站建设地区大多是以山地为主，其地表起伏不平，使得光伏支架在设计及组件安装过程中受各种因素影响。但还是从另一方面来说，其土地成本相对较低，主要是因为其处于人烟稀少地区，受外界因素影响小。以生活中比较常见的山地光伏电站为例，其出发点和落脚点无非就是缓解能源紧张问题，但是其受地势形态影响，如若将位于沙漠地区的光伏电站比较后不难发现，山地光伏电站布局规划欠合理，加上自然协调性相对较差，直接导致山地光伏电站建设成本上升，自然而然光伏支架结构优化、施工等相关工作无法正常进行。
1.2光伏支架设计的难点。光伏支架优化设计难点囊括诸多方面，可简单概括为两个部分：方阵设计方面，在上述分析中有提及到光伏电站建设中需要综合考虑各方面因素，例如：地形因素、地域因素等。在光伏支架优化设计中同样如此，应当充分考虑好光伏支架安装方式、方针基础等因素对光伏支架产生的影响并找出行之有效的方式予以解决，也只有这样光伏支架优化设计工作才能顺利进行。然而在实际中发现，光伏支架优化设计过程中，并未充分考虑好光伏电站方阵同光伏支架两者之间的关系，土地效用并未最大限度显现出来，极大程度上提升了光伏电站建设成本。
2 光伏电站支架及基础设计
光伏电站工程条件复杂，在建设场内有冲沟、岩石，若处理不当将会引发塌方。基于此，在光伏电站支架及基础设计过程中，除了依据实际情况制定行之有效建设计划外，还需要综合考虑材料、设计结构等多方面因素，依据多方面数据精确计算出光伏电站支架在有或者无地震效应时的风荷载、雪荷载下支架横梁的弯曲程度和弯曲量，安装螺栓的强度等，只有这样才能充分适应地形变化。再有，光伏电站基础设计，同样也要考虑诸多因素，设计强度必须符合建设要求，尤其要选择对地表扰动相对较小的基础形式，既经济又实惠。就我国目前实际情况来看，我国光伏电站基础设计主要有：微型钢管桩基础、锚杆式基础、钢筋混凝土微孔灌注桩等。
3 安全性保障
对于山地光伏电站来说，如果防雷措施没有落到实处，光伏电站遭遇雷击的几率将直线上升。基于此，整个光伏电站应当充分好支架基础做好相关金属接地网工作，在条件允许情况下将光伏电站所有地网都连接在一起，这样能够将电阻最小化处理。与此同时还需要做好接地极工作，在各方面都得到保障情况下，延长光伏电站设计寿命，以此降低运营风险或者维护成本，更好作用光伏电站发展。再者，光伏电站支架及基础设计过程中各组串工情况不同，这就需要在光伏设计时综合考虑各方面因素，并对相关技术参数实时操控，在这个基础之上结合光伏电站支架特征，安装能发现组串、汇流箱等信息的计算机软件，当光伏发电相关设备出现故障时，能够在最短时间内予以解决，将损失最小化处理。
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4 光伏支架的优化设计研究
4.1选用合适的支架材料。根据德国的统计数据，在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，而太阳能光伏支架的投资仅占总成本的3%左右。因此，相对于太阳能电站高额的投资，支架成本的波动并不是敏感因素，选择高端支架的成本仅提高不足1%，然而如果选用的支架不合适，后期养护成本会大大增加，整体考虑并不合算。任何类型的太阳能光伏组件装配部件，最重要的特征之一是耐候性。需保证25年内结构必须牢固可靠，能承受如环境侵蚀，风、雪荷载和其它外部效应。安全可靠的安装，以最小的安装成本达到最大的使用效果、几乎免维护、可靠的维修、可回收，这些都是做选择方案时所需要考虑的重要因素。目前一些支架企业应用了高耐磨材料以抵抗风力雪荷载和其它腐蚀作用，综合利用了铝合金阳极氧化，超厚热镀锌，不锈钢，抗UV老化等技术工艺来保证阳能支架和太阳能跟踪的使用寿命。
4.2底座有限元分析。底座是连接光伏支架方形立柱和圆管地桩的零件，目前我方项目普遍采用的底座单个重量大约为2.6Kg。支架结构中，底座是重要的受力部位，且安装支架时需要大量使用。如何在保证安全可靠的前提下将其重量适当减小，以达到降低成本的目的，值得研究。经初步分析，拟将底座的高度由150mm减小为120mm，厚度由8mm减小为6mm，宽度也适当减小。现将新设计的底座在ANSYS中进行有限元分析，以确定其结构是否安全。根据地桩拉拔力的经验值，取20KN作为底座受到的竖直向上的力，并将其换算成面荷载施加在底座的螺栓孔位置。得出了底座的强度结果。为使计算方便，采用底座的1/2模型进行分析，加载时施加了对称约束。由计算结果可知，底座的最大应力103MPa，小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，最大变形为0.1mm，符合规范要求，因此，重新设计的底座结构是安全的。
4.3支架横梁有限元分析。为使力学计算方便，在SAP2000中对支架结构进行整体有限元分析时，常将支架横梁建模成简单的C型钢形式，这样计算结果就与真实结果有所出入。为准确计算出横梁在不同工况下的应力，在SAP2000中对整体结构进行计算后，再在ANSYS中对实际的冷弯内卷C型钢进行有限元分析，通过分析结果，可判定横梁结构是否安全。取一根4720mm横梁进行有限元分析。光伏支架在某地使用时，受到了自重、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震等作用，将这些荷载进行组合，将最不利组合时的荷载换算成面荷载，施加在横梁上。得出了两种横梁在相同外荷载作用下的强度、刚度结果，冷弯内卷C型钢强度结果。由计算结果可知，在荷载、约束等外部条件相同的情况下，冷弯内卷C型钢的承载能力更好。简化的C型钢最大应力为179MPa，最大应变为6.83mm；冷弯内卷C型钢的最大应力为153Mpa，最大应变为6.2mm。强度都小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，刚度也满足规范要求。
5 结束语
众所周知，虽光伏电站建设周期相对较短，但是一定性投资高，成本回收需要很长一段时间，而光伏建设中不可忽视的便是支架这一重要性因素。根据不同形式的太阳能光伏发电的需要，支架系统一般分为单立柱太阳能支架、双立柱太阳能支架、矩阵太阳能支架、屋顶太阳能支架、墙体太阳能支架、追踪系统系列支架等若干规格型号，同时按照不同的安装方式又分为地面安装系统、屋顶安装系统和建筑节能一体化支架安装系统。因此对它进行优设计很有必要的，以此保证光伏支架结构的可靠性和安全性，为光伏发电建设工作奠定坚实的基础。
参考文献：
[1]GB50797-2014，光伏发电站设计规范[S].2014.
[2]GB50009-2013，建筑结构荷载规范[S].2013.
[3]张梅，光伏支架结构整体性能的研究[A].2013.
论文作者:张凡
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
标签：支架论文; 光伏论文; 电站论文; 荷载论文; 底座论文; 太阳能论文; 因素论文; 《电力设备》2018年第19期论文;