1、光伏支架小结0 综述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
2、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。1 光伏支架常见形式光伏支架具有多种分类方式，如按照连接方式分为焊接式和组装式，按照安装结构分为固定式和逐日式，按照安装地点分为地面式和屋面式等。无论哪种光伏系统，其支架构成大体相似，都包括连接件、立柱、龙骨、横梁、辅助件等部分。1.1 固定式光伏支架固定式光伏支架，顾名思义，是指安装之后方位、角度等保持不变的支架系统。固定安装方式直接将太阳能光伏组件朝向低纬度地区放置（与地面成一定的角度），以串并联的方式组成太阳能光伏阵列，从而达到太
3、阳能光伏发电的目的。其固定方式有多种，如地面固定方式就有桩基法（直接埋入法）、混凝土块配重法、预埋法、地锚法等，屋面固定方式随屋面材料不同而有不同的方案。图 1 地面支架固定方式太阳能电池阵列的支架，通常由从钢筋混凝土基础中伸出的钢制热浸镀锌的加工品或者不锈钢制地脚螺栓来固定。在房屋屋顶上采用混凝土基础的场合，将房屋的防水层揭开一部分，剥掉混凝土表面在天井的钢筋上把阵列用的混凝土座的钢筋焊接在一起。不能焊接钢筋时，为了借助混凝土的附着力和自重对抗风压，使混凝土底座表面凹凸不平使附着力加大。之后，用防水填充剂进行二次防水处理。如果上述方法也不能实施时,可在防水层上敷设比较贵的硅胶等耐候性缓冲材料
4、，在其上安装热浸镀锌的重量大的钢骨架，然后在钢骨架上固定阵列支架。钢骨架是用塑料螺栓连接在房上周围突出的压檐墙上目的是风压不致使阵列及钢骨架移动。起辅助强化作用。1.1.1 屋面光伏系统支架屋面光伏支架所安装的环境包括坡屋面、平屋面，安装时需顺应屋面环境，不破坏固有结构及自防水系统，屋面材料包括琉璃瓦、彩钢瓦、油毡瓦、混凝土面等。针对不同的屋面材料采用不同的支架方案。屋面按倾斜角度分为坡面和平面两种，所以屋面光伏系统的倾斜角度有多种选择，对于坡屋面通常采用平铺的方式顺应屋顶坡度布置，也可以采用与屋顶成一定倾角的布置方式，但是这种做法相对比较复杂，案例较少；对于平屋面则有平铺和倾斜一定角度两种选
5、择。针对不同的屋面材料，会有不同的支架系统。1）琉璃瓦屋面支架如图 1 所示，琉璃瓦为碱土、紫砂等软硬质原料经过挤制、塑压后烧制而成的建筑材料，材质脆，承重能力差。在安装支架时一般采用特殊设计的主支撑构件与琉璃瓦下层屋面固定，来支撑支架主梁及横梁，支撑构件如连接板等通常设计成如图 2 中所示的多开孔样式，灵活有效实现支架位置调整。组件与横梁之间采用铝合金压块压接。图 2 琉璃瓦屋面、主支撑构件机组件固定压块2）彩钢瓦屋面支架彩钢板是薄钢板经冷压或冷轧成型的钢材。钢板采用有机涂层薄钢板（或称彩色钢板）、镀锌薄钢板、防腐薄钢板(含石棉沥青层)或其他薄钢板等。压型钢板具有单位重量轻、强度高、抗震性能
6、好、施工快速、外形美观等优点，是良好的建筑材料和构件，主要用于围护结构、楼板，也可用于其他构筑物。屋面彩钢瓦一般分为：直立锁边型、咬口型（角驰式）型、卡扣型（暗扣式）型、固定件连接（明钉式）型。直立锁边型 咬口型（角驰式）卡口（暗扣式）型 固定件连接（明钉式）型在彩钢瓦屋面安装光伏系统时，要充分考虑彩钢瓦形制及其承重能力，以确定支架固定方式。彩钢瓦屋面支架固定方式主要根据彩钢瓦形制而定，如图 4所示：地面支架固定方式图 4 彩钢瓦屋面支架固定方式3）混凝土屋面支架混凝土屋面光伏支架一般为固定倾角的固定方式，也可以采用平铺方式布置。该型屋面固定方式主要为混凝土基础和标准化固定连接件固定，分为现浇
7、型和预浇型两种方式。混凝土屋面上现浇矩型基础，适时合屋面承载小、风荷载高的地区和屋面；如下图所示：1 矩形基础与屋面用化学锚栓连接；2 矩形基础上安装标准化的固定连接件；3.支架与组件组装。图 5 混凝土屋面现浇矩形基础混凝土屋面上放置预浇矩形基础，适合屋面承载小、风荷载小的地区和屋面；矩形基础上预制标准化的固定连接件。图 6 混凝土屋面预浇矩形基础1.1.2 地面光伏系统地面光伏系统是指安装地点选择在户外开阔地面的光伏系统，常见大型地面光伏系统的支架固定方式随着地质、环境、气候等因素而不同。一般采用混凝土条形（块状）基础形式（特殊地基情况需要咨询专业土力学设计人员），也可以采用桩基式、地锚式
8、（如图 1）等方式。图 7 螺旋桩基图 1 中所示的四种不同基础形式可以根据实际情况选择，其中混凝土块配重和预埋件的方法经常应用于屋顶太阳能建设或改造，这样可以有效避免破坏屋顶防水层等结构；地锚法和直埋式常用于太阳能电站的建设中，具有稳固、可靠性高的特点。根据施工经验，地锚法施工基础最为牢固，安全性最高，但是地锚与太阳能光伏支架连接部位需要特别定做，造价很高。相比之下，直埋式施工简便，只需要使用开孔机在现场开孔并灌注混凝土，在混凝土未凝固之前将槽钢直接插入孔中即可，但是与地锚法相比，直埋式基础对现场土壤的自立性要求较高，需要进行前期的地质勘测试验。当然，在地质情况非常有保障的情况下，也可以不做
9、前期的地质勘探。太阳能光伏支架主、次梁的排布方式主要取决于电池板的安放方法。总的来说，由于电况允许的前提下，直埋法显然优于地锚法。1.2 跟踪式光伏支架当太阳光线垂直于电池面板时，太阳能接收到的太阳能最大，发电功率也最高。但是地球时时刻刻都在进行公转和自转，因此太阳光线角度是时刻都在发生变化的。而固定支架，因为电池面板是固定的，因此不能保证尽量让太阳光线垂直电池面板，不能充分利用太阳能。因此跟踪系统是尽量去对准太阳，使太阳光线在电池面板单位面积的接收到的太阳光线更多，从而增加发电量。目前而言，跟踪系统包括单周跟踪系统与双轴跟踪系统两大类，单轴跟踪系统又分为水平单轴跟踪系统和斜单轴跟踪系统。1.
10、2.1 水平单轴跟踪如图 8 所示，水平单轴跟踪适合在低纬度地区，通常跟踪太阳的高度角来提高太阳光线在电池面板的垂直分量来提高其发电量。水平单轴跟踪系统，不是单纯跟踪太阳高度角，而是采取一套复杂的计算算法，使得其太阳光线在电池面板的垂直分量最大化，来控制其运动角度。这样最大化的增大了光伏发电量。水平单轴跟踪一般相对于固定支架能增加 20%到 30%之间。图 8 水平单轴跟踪示意图1.2.2 斜单轴跟踪斜单轴适合于纬度高于 30 度以上，通过转轴的倾斜角补偿纬度角。，然后在转轴方向跟踪太阳高度角，从而达到更好的增大光伏发电量。一般相对于固定支架可以增加发电量 25%到 35%之间。1.2.3 双
11、轴跟踪双轴跟踪，有两个转轴同时运动，这样可以保证太阳电池板始终垂直于太阳光线，因此双轴跟踪提升太阳发电效率最高。可以提高 35%-45%。2 载荷计算将太阳能电池阵列安装在地面上或者房屋屋顶上，以及住宅的平屋顶上的场合，首先打好牢固的地基，然后再作支架设计。支架(支持物)大部分都是钢结构。支架是安装从下端到上端高度为 4m 以下的太阳能电池阵列时使用。结构设计时把允许应力设计作为基本，设计用的荷重是以等价静态荷重为前提。到现在为止关于太阳能电池阵列的支架没有设计标准，如果作为电气设备考虑的场合，按照送电支撑物设计标准，如果作为建筑物考虑，则按照建筑法、建筑物荷重等。但是，这些标准在设计对象和设
12、计方法的考虑中存在一些差异，不适合称为太阳能电池阵列的设计标准。2.1 假想荷重作为太阳能电池阵列用支架结构设计时的假想荷重，有持久作用的固定荷重和自然界外力的风压荷重、积雪荷重及地震荷重等。此外，也有因温度变化产生的“温度荷重”，但是在除了焊接结构的长部件以外的支撑物中，与其他荷重相比很小，因此忽略不计。固定荷重( G )。组件质量( M G )和支撑物等质量( K G )的总和。风压荷重( W )。加在组件上的风压力( M W )和加在支撑物上的风压力( K W )的总和(矢量和)。积雪荷重( S )。与组件面垂直的积雪荷重。地震荷重( K )。加在支撑物上的水平地震力(在钢结构支架中地震
13、荷重一般比风压荷重要小)荷重条件和荷重组合如表 1 所示。多雪地区的荷重组合，把积雪荷重设为平时的 70%，暴风时及地震时设为 35%。表 1 荷重的条件和组合荷重条件 一般地方 多雪地区长期 平时 G G 0.7 S积雪时 G S G S暴风雨时 G W G 0.35 S W短期地震时 G K G 0.35 S W2.2 风压荷重在设计太阳能电池阵列安装用支架结构时，在假想荷重中最大的荷重一般是风压荷重。在电池阵列中因风引起的损坏多数在强风时发生。这里规定的风压荷重只适用于防止因强风导致的破坏为目的的设计。(1) 设计时的风压荷重作用于阵列的风压荷重： W = CWq AW式中 W 是风压荷
14、重( N )； C W是风力系数； q 设计用速度压(N/m 2)； A W是受风面积(m2)。(2)设计时的速度压设计时的速度压： q = q0 IJ式中 q 是设计用的速度压(N/m2)； q0是基准速度压(N/m2)； 是高度补偿系数；I 是用途系数； J 是环境系数。对于设计速度压 q，一般应按照如下准则计算: 对于地上 16m 以下和 16m 以上场合的速度压算式应按照如下准则计算：地上 16m 以下的场合: 60；地上16m 以上的场合: 120 4 。这里， h 为地面以上的高度。在地面 31m 以上安装的场合，风力系数规定为 1.5 以上。基准速度压 q0。设定基准高度 10m
15、，由下式算出： q0= 0.5 V 02式中 q0是基准速度压(N/m2)； 是空气密度风速(Ns2/m4)； V0是设计用基准(m/s)。空气的密度在夏天和冬天不一样，从安全角度考虑取数值大的冬天的值1.274Ns2/m4。设计用基准风速取在太阳能电池阵列的安装场所，地上高度10m 处，在 50 年内再现的最大瞬时风速。高度补正系数 。随地面以上的高度不同，速度压也不同，因此要进行高度补正。高度补正系数由下式算出: = ,式中 是高度补正系数； h 是阵列的地面以上高度； h0是基准地面以上高度 l0m； n 是表示因高度递增变化的程度，5 为标准。用途系数 I 。是与太阳能光伏发电系统的用
16、途重要程度对应的系数(参见表 2)。通常，太阳能光伏发电系统的风速的设计用再现期限设为 50 年，这相当于用途系数 1.0。表 2 用途系数用途系数 太阳能光伏发电系统的用途1.15 极重要的太阳能光伏发电系统1.0 普通的太阳能光伏发电系统0.85 短时间系统，且阵列位于地面以上高度为 2m 以下场合环境系数 J 。是与太阳能电池阵列的安装场所的地形和建筑物情况等对应的系数(参见表 3)。阵列的安装场所设定为在地面以上高度 6m 以下。表 3 环境系数环境系数 建设地点周围地形等状态1.15 如海平面一样基本没有障碍物的平坦地域0.90 树木、低层房屋等分布的平坦地域0.70 树木、低层房屋
17、密集,或中层建筑等分布的地域(3)风力系数组件面的风力系数。风力系数一般通过风洞实验确定，更专业的内容请参考相关资料。支撑物构成材料的风力系数。在支撑物的骨架及单体材料上作用的风压的风力系数，由风洞实验确定，更专业的内容请参考相关资料。2.3 积雪荷重设计时的积雪荷重由下式算出： S = C SPZ SA S,式中 S 是积雪荷重(N)； C S是坡度系数； P 是雪的平均单位质量(相当于积雪 1 cm 的质量，N/m 2)；Z S是地上垂直最深积雪量(cm)； A S积雪面积(阵列面的面积)(m 2)。(1) 坡度系数 S C 由表 4 确定。表 5.8 坡度系数积雪面的坡度 坡度系数 CS
18、60 0(2) 雪的平均单位质量 P雪的平均单位质量是指积雪厚度为 lcm、面积为 lm2 的质量。一般的地方为19.6N 以上，多雪区域为 29.4N 以上。(3) 积雪量 S Z太阳能电池阵列面的设计用积雪量设定为地上垂直最深的积雪量 S Z，但是，经常扫雪而积雪量减少的场合，根据状况可以减小 S Z值。2.4 地震荷重设计用地震荷重的计算，可分为一般地区: K = C1G 和多雪区域:K = C1( G +0.35S )。式中 K 是地震荷重(N); C1 是地震层抗剪系数；G 是固定荷重(N) ；S 是积雪荷重(N) 。地震层抗剪系数 C1 公式为 : C1= ZR iA iC0，式中
19、C1 是地震层抗剪系数; Z 是地震地域系数; R i 是振动特性系数; Ai 是地震层抗剪分布系数; C0 是标准抗剪系数。3 支架材料及选型太阳能支架材料、安装方式的选择，需要较严格的计算才能确定。另外，受安装地点的质地、气候、环境等因素影响，耐候性也是选择的依据之一。如质地松软的安装地点可以采用地锚的方式固定，若历史最大风速或最大雪量都在一定范围内，则可以适当选择既能满足要求，成本又较低的材料。计算项目如上述第二章所述，需要计算风载、雪载等。另外，还需考虑维修及材料回收等因素。目前，太阳能支架的材料主要有铝合金（Al6005-T5 表面阳极氧化）、不锈钢（304）、 镀锌钢件（Q235
20、热镀锌）等，其中以不锈钢材料成本最高，耐候性好，可回收利用价值高；铝合金支架一般用在民用建筑屋顶太阳能应用上，铝合金具有耐腐蚀、质量轻、美观耐用的特点，但其承载力低，无法应用在大型太阳能电站项目上。另外，铝合金的价格比热镀锌后的钢材稍高。镀锌钢支架性能稳定，制造工艺成熟，承载力高，安装简便，广泛应用于民用、工业太阳能光伏和太阳能电站中。其中，型钢均为工厂生产，规格统一，性能稳定，防腐性能优良，外形美观。值得一提的是，组合型钢支架系统，其现场安装，只需要使用特别设计的连接件将槽钢拼装即可，施工速度快，无需焊接，从而保证了防腐层的完整性。这种产品的缺点是连接件工艺复杂，种类繁多，对生产制造、设计要
21、求高，因此价格不菲。镀锌钢的另一缺点是材料最终回收利用价值不如前两种高。目前最普遍应用的为镀锌钢支架，主要采用型钢作为主材，所谓型钢是一种有一定截面形状和尺寸的条型钢材，其主要类型有工字钢、槽钢、角钢、圆钢、方钢、C 型钢、H 型钢等。1）角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件，也可作构件之间的连接件。广泛地用于各种建筑结构和工程结构，如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架以及仓库货架等。角钢属建造用碳素结构钢，是简单断面的型钢钢材，主要用于金属构件及厂房的框架等。在使用中要求有较好的可焊性、塑性变形性能及一定的机械强度。生产角钢的原料钢坯为低碳方钢坯，成品角钢
22、为热轧成形、正火或热轧状态交货。图 12 角钢2）H 型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，因其断面与英文字母“H”相同而得名。由于 H 型钢的各个部位均以直角排布，因此 H 型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应用。H 型钢分为宽翼缘 H 型钢（ HW）、中翼缘 H 型钢(HM) 、窄翼缘 H 型钢（HN）、薄壁 H 型钢（ HT）、H 型钢桩（HU）等。图 13 H 型钢3）C 型钢经热卷板冷弯加工而成，壁薄自重轻，截面性能优良，强度高，与传统槽钢相比，同等强度可节约材料 30%。图 14 C 型钢C 型钢广泛用于钢结
23、构建筑的檩条、墙梁，也可自行组合成轻量型屋架、托架等建筑构件。此外，还可用于机械轻工制造中的柱、梁和臂等。4）矩形管是一种中空的长条钢材，大量用作输送流体的管道，如石油、矩形管天燃气、水、煤气、蒸气等，另外，在高弯、抗扭强度相同时，重量较轻，所以也广泛用于制造机械零件和工程结构。也常用作生产各种常规武器、枪管、炮弹等。在光伏支架系统中主要作为横梁使用。4 方阵布局在太阳能光伏电站设计中，电池阵列的布置非常重要。阵列间的距离对电站的输出功率和转换效率有较大的影响，如安装不妥，后排的太阳光将被前排遮挡。与阵列间距密切相关的是太阳高度角，因此本文中提出了两种计算太阳高度角的方法，并对结果进行比较。4
24、.1 太阳高度角太阳能电池阵列安装见图 15 所示，图中物理量将在下文中进行说明。图 15 电池阵列安装示意太阳高度角是指对于地球上的某个地点太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳高度角是决定地球表面获得太阳热能多少的最重要因素。4.1.1 影子倍率法计算太阳高度角一般在水平面垂直竖立的高为 L 的木杆，其南北方向影子的长度为 Ls，太阳的高度角为 h，方位角为 ，那么影子的倍率 R 可由下式表示:R = LS/L= ctghcos ( 1)式中: R 为影子倍率;L 为阵列高度;Ls 为影子长度;h 为太阳高度角; 为太阳方位角。阵列的影子长度因安装场所的维度、季节、时间不同而异，如果在影
25、子最长的冬至，从午前 9:00 至午后 15: 00，影子对阵列没有影响，说明太阳电池输出功率不受影响。通过“冬至太阳位置图”可以知道这段时间内的太阳高度角 h 和方位角 。4.1.2 根据函数计算太阳高度角根据球面三角函数分析认为太阳高度与观测者的地理纬度、太阳赤纬和方位角有着一定关系，它们之间的关系式为:sinh = sinsin + coscoscos ( 2)式中: 当地纬度角;当地赤纬角。一年中第 n 天的赤纬角 按如下公式计算:= 23. 45sin360(284 + n)/365 ( 3)式( 2) ( 3) 中，若已知某点的地理位置，日期和时刻，就可以算出当地当时的太阳高度角。
26、正午时，太阳方位角为零，则 cos= 1，式( 2)变为sinh = sinsin + coscos =cos() = sin90( )( 4)得出计算太阳高度角的基本公式:h=90() ( 5)4.2 阵列间距的计算4.2.1 利用 4.1.1 中方法计算间距由公式( 1) 可以得出:LS = Lctghcos (6)h 与 根据当地纬度可以查出，Ls 即可求出。4.2.2 利用 4.1.1 中方法计算间距由图 15 可以知道太阳高度角与电池阵列之间的关系，由几何图形分析可得:(Le)/Ls= tgh = tg90 ( ) (7)Ls = ( L e) ctgh= ( Le)ctg90() ( 8)由公式( 8) 可知，太阳高度角 h 越小，其投影距离 L 越大。所以设计采用最小的入射角即冬至日太阳高度角进行阵列间距的计算可以满足要求。5 总结太阳能支架是光伏电站非常重要的组成部分，它承载着光伏电站的发电主体，如果设计不合理，在灾害气候下发生事故，对于电站的影响是致命的。所以在设计过程中，需要综合考虑各方面的因素，最终确定支架的选型及阵列的布置。本次总结没有设计支架基础的计算问题，后续会增加该部分内容。
