摘 要：随着光伏支架成本在光伏电站投资成本的比重日益增加，光伏支架产业逐渐为人所知。本文重点介绍了光伏支架材质、基础形式以及结构形式等，提出了光伏阵列的设计原则、支架倾角计算、光伏阵列间距计算和载荷计算的方法。 关键词：光伏支架；设计；计算 为应对能源需求的不断增长和日益严峻的二氧化碳减排压力，安全可靠的光伏发电是最佳选择，为了使整个光伏发电系统得到最大功率输出，结合建设地点的地理、气候及太阳能资源条件，将太阳能电池组件以一定的朝向、排列方式及间距固定住的支撑结构，通常称为光伏支架。近年来随着光伏支架成本在光伏电站投资成本的比重日益增加，光伏支架产业逐渐为人所知。光伏支架结构应当满足结构强度、防腐性能能等使用要求，且使用年限一般不应小于25年，光伏支架的设计选型不仅关系到电站建设资成本，还与施工周期、施工难度和后期的维护密切相关。 1 光伏支架分类 1.1 基本参数 安装地点：屋顶或地面； 安装朝向：宜为南向（追踪系统例外）； 安装角度：等于或接近安装当地纬度； 荷载要求：自重载荷、风荷载、雪荷载等； 排列方式及间距：结合当地日照情况； 质量要求：使用寿命基本要求25年。 1.2 支架材质 目前光伏支架系统从材质上分，主要有钢支架、铝合金支架两种。 钢结构支架从连接方式可以简单地分为焊接和拼装式两种。焊接支架对型钢（角钢）生产工艺要求低，连接强度较好，价格低廉，但连接点防腐难度大，如果涂刷油漆，则每1至2年油漆层发生剥落，需要重新涂刷，后续维护费用较高；另外野外施工焊接用电成本较高，导致施工速度较慢。目前焊接支架已经被市场上出现的拼 接式支架取代，拼装支架的最显著优点是是拼装、拆卸速度快，无需焊接，大量采用型钢，规格统一，性能稳定，防腐性能优良。 铝合金型材质量轻、外表美观、防腐蚀性能极佳，一般用于对承重有要求的屋顶电站、强腐蚀环境。铝合金型材一般加工方式有挤压、铸造、折弯、冲压等方式，可以生产出任意截面型材，并且生产速度比较快。一般情况下，基本风压在0.6kN/m2，跨度在2m以下，铝合金支架造价为钢结构支架的1.3-1.5倍。在小跨度体系中（如彩钢板屋顶）铝合金支架与钢结构支架造价相差比较小，并且在重量方面铝合金比钢支架要轻很多，所以非常适合用于屋顶电站。 1.3 基础形式 目前国内外常用的支架基础形式，一种是水泥基础式，一种是螺旋地桩式。 水泥基础式支架通常采用独立基础或条形基础，制作方式采用预制或现浇两种方式，其突出优点是用钢量较低，基本不受地质条件限制，支架防腐性能出色，安全隐患较小，但施工周期较长，易受季节和天气等环境因素限制。由于独立基础和条形基础成本较高，目前已被应用比较广泛的灌注桩基础所取代。 螺旋地桩式支架，在国内近几年应用比较多，不需要大规模平整场地，不需要开挖地面，适应性强，不受季节气温等限制，施工周期快，效率高，绿色环保，但螺旋地桩不适应于土质坚硬的地区，地桩在盐碱地抗腐蚀能力较差。两种基础形式的光伏支架优缺点对比如表2所示。 1.4 支架结构形式 目前大规模应用的支架大多为地面或屋顶固定式支架，太阳能电池组件是一般都是矩形的，布置方式可分为横向排布和竖向排布。一般来说，两块电池板竖向排布，两块电池板共用一个电池板组件夹，是最经济的一种结构布置方式。支架的结构形式可分为前后支柱结构、三角形结构和单支柱结构。 前后支柱形式的支架（图1），属于超静定结构，前支柱要承受支架80%的剪力（主要是风压），稳定性稍差，为了确保支架整体的稳定性，通常需要增加斜撑，其优点是保证组件离地面的高度。
图1 前后支柱支架 三角形形式的支架（图2），结构稳定性好，但采用这种设计，太阳能电池板距离地面较近，在草原地区，需要进行除草作业，适用与距离地面有一定高度的基础上，如水泥基础，钢结构基础等。
图2 三角形支架 单支柱支架（图3）的支柱及次梁承受90%以上的载荷，斜撑仅起辅助支撑作用，主梁跨度较大，该种形式的支架基础施工量很小。
图3 单立柱支架 2 光伏阵列设计 2.1 阵列设计原则 光伏阵列的设计应按照尽量减少占地面积、提高土地利用率和光伏阵列之间不得相互遮挡的原则设计。设计的步骤一般是先确定项目所在地的光伏组件最佳安装倾角，然后计算光伏阵列的间距，最后依据连线最短并兼顾规则美观的原则设计光伏模块的平面布置。 2.2 支架倾角计算 从气象站得到的资料，均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成不同倾角光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行最佳倾角的选择。 对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接收的太阳辐射能与倾角有关，辐射量计算经验公式为： Rβ＝S×[sin(α+β)/sinα]+D 式中： Rβ—倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量； S —水平面上太阳直接辐射量； D —散射辐射量； α—中午时分的太阳高度角； β—光伏阵列倾角。 2.3 阵列间距计算 由于安装场地的限制，光伏阵列常常需要分前后排安装，此时必须在前后排方阵之间保持一定距离，以免前排方阵挡住后排方阵的阳光。因此需要确定前后排方阵之间的最小距离，图4所示为求两排方阵之间最小距离的示意图。
L——光伏板斜面长度，D——两排方阵之间的距离，∠αs——太阳高度角，∠γs ——太阳方位角，r——太阳入射线水平面上投影在前后排方阵之间的长度 图4 求两排方阵之间最小距离的示意图 对于遮挡物阴影的长度，一般确定的原则是，冬至日上午9:00至下午3:00之间，后排的太阳能光伏电池方阵不应被遮挡。根据当地纬度、光伏板斜面长度和倾角，即可计算出两排方阵之间的最小距离，计算公式如下所示： D=Lcosβ+d d=H(cosωtanψ-tanδ)/(tanδtanψ+cosω) H=Lsinβ 式中D——两排方阵之间的距离； L——光伏板斜面长度； β——方阵倾角； d——太阳赤纬角，冬至日的太阳赤纬角为-23.5度； w——上午9:00和下午3:00的时角为45度； ψ——当地纬度。 2.4 支架载荷计算 一般情况下，作用在太阳能电池板上的载荷有太阳能电池板的自重、风载荷和雪载荷等，其载荷通过电池板连接件传递到光伏支架上，光伏支架载荷计算和设计主要依据GB 50009-2001（建筑结构载荷规范）。根据建筑结构荷载规范的规定，应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。 2.5 流场计算 在实际环境下，光伏支架阵列的第一阵列风载荷最大，第二阵阵及后续阵列的风载荷有所减小。流场仿真结果表明，电池板的第一阵列所受风荷载最大，第二阵列所受风荷载最小，后续阵列呈现一定的波动性，但最大风荷载不超过第一阵列风荷载的75%。 3 结论 尽管全球光伏产业正陷入前所未有的困境，但随着技术创新和成本下降，太阳能在未来的能源结构中将占据重要地位，光伏产业仍然是朝阳产业，结论如下： （1）固定式支架利润低，市场占有率高，市场需求量大，生产厂家多是型材加工厂，靠低廉的价格占领市场； （2）螺旋地桩支架由于建设周期短，建设过程环保，逐渐被各电厂投资商接受，但很难解决安装场地腐蚀问题； （3）光伏支架的选型和设计不仅关系到电站建设资成本，还与施工周期、施工难度和后期的维护密切相关。 |
