光伏阵列支架布置及结构件 优化专题

光伏阵列支架布置及结构件
优化专题
上海电力设计院有限公司
一、概述
光伏支架通常为镀锌钢构件拼装而成的三角形钢结构。

以某100兆瓦光伏发电工程中采用的光伏支架（图1）为例。

该工程的光伏组件采用横向布置，两端搁置在檩条上，并通过压块固定。

单榀支架由前立柱、后立柱、斜撑和斜梁组成，支架的倾角根据工程所在地的纬度等因素确定，该工程中为36°。

檩条与斜梁间通过螺栓连接，前后立柱则焊接在支架基础顶部预埋的钢板上。

根据当地地质条件，支架基础采用钻孔灌注桩的形式。

图1 支架侧视图
二、计算分析
该工程中采用4排11列组件组成单个光伏阵列。

光伏支架则采用7榀支架组成6跨、跨度均为2.85米、两边悬挑0.5米的钢结构。

前、后立柱间距为2.6米。

出于安全性的考虑，支架结构中檩条、斜梁、斜撑和立柱间的连接均近似简化为铰接。

由于立柱通过端板焊接在基础埋件上，立柱底部的约束则考虑为固定支座。

简化后的支架力学模型如图2所示。

图2 支架结构的力学模型
据《光伏发电站设计规范》光伏支架结构主要承受光伏组件和自身重量产生的恒荷载、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震荷载以及施工检修荷载等作用。

工程设计表明，风荷载控制的基本组合作用下支架结构的应力最大。

本次计算中主要针对该荷载组合下的受力情况进行计算。

在钢结构设计通用软件SAP2000中，建立三维模型，并按规范要求施加荷
载和组合。

施加荷载后的模型简图如下图所示。

图3 SAP2000的支架模型
经计算，支架结构在风荷载控制的基本组合作用下，结构的弯矩图、轴力图
和剪力图如下图所示。

图4 结构弯矩图
图5 结构轴力图
图6 结构剪力图
由上图可以看出，支架结构中，檩条和主梁承受的弯矩和剪力较大、轴力较小，支撑和立柱则由于近似简化为二力杆，承受的轴力较大，几乎没有弯矩和剪力。

这与支架结构的实际受力情况较接近，计算结果较合理，这也为后续的优化
工作提供了技术支持。

三、结构布置形式的优化
根据SAP2000的计算结果，檩条主要承受弯矩和剪力，其中尤以弯矩为主。

选取受力最大的檩条弯矩图如图7所示。

如图所示，檩条边跨的跨中弯矩为最大正弯矩0.467kNm，比中间跨的跨中弯矩0.246kNm大90%。

而第二支座处的支座弯矩则为最大负弯矩0.676kNm，也比其他支座弯矩0.583kNm大16%。

因此可考虑缩小边跨跨度并适当增加中间跨跨度的方法，使边跨和中间跨的受力情况趋于均匀，从而降低整根檩条的最大弯矩。

图7 檩条弯矩图
斜梁也主要承受弯矩作用，选取原结构中受力最大的斜梁弯矩图（图8）。

如图所示，斜梁第一跨的跨中弯矩为最大正弯矩0.809kNm，比第二跨的跨中弯矩0.312kNm大160%。

而斜撑处的支座弯矩则为最大负弯矩0.653kNm，与其他支座弯矩0.62kNm较为接近。

因此可考虑调节斜撑的位置，使斜撑和第三根檩条的位置重合，尽可能降低檩条传递的集中力对斜梁的作用；并适当调整前、后立柱的间距使斜梁的受力情况趋于均匀，从而降低整根斜梁的最大弯矩。

图8 斜梁弯矩图
由于支架结构中节点连接假定为铰接，因此斜撑和前、后立柱均接近两端铰接的二力杆，因此主要承受轴力作用。

经计算，原支架斜撑、前立柱和后立柱的最大轴力分别为4.84kN、2.42kN和7.67kN。

与支架常用截面的承载能力相比，轴力应力比小于20%，设计中通常按照长细比等构造因素选取最小截面，优化余地有限。

因此我们主要针对檩条和斜梁进行优化。

四、结构布置形式优化后的计算分析
根据上文所述优化布置方法，对支架结构进行优化计算。

经过反复的计算和比较，确定将边跨缩短300mm、中间跨增大150mm、保持悬挑长度不变，优化为边跨2.55米、中间跨3米和悬挑段0.5米的六跨结构为宜。

针对每榀支架，将斜撑移至第三根檩条正下方，并仔细调整前、后立柱的位置，间距改为2.59米。

按照同样的方法，在相同的荷载组合作用下计算得到优化布置后支架的弯矩图，如下图所示。

图9优化后支架的计算结果
五、结构布置形式优化前后的比较
选取优化后支架中受力最大的檩条与原支架檩条比较，两者弯矩图如图11所示。

从图中可以看出，优化后弯矩图各跨间趋于均匀，边跨与中间跨的弯矩十分接近。

优化后的檩条最大正弯矩为0.332kNm，较原支架减小29%；最大负弯矩为0.637kNm，也减小了6%。

图10 檩条弯矩图比较
同样选取受力最大的斜梁与原支架比较，两者弯矩图如图12。

从图中可看出，斜梁的弯矩图经优化后也趋于均匀，各跨间的弯矩也比较接近。

优化后斜梁的最大正弯矩为0.535kNm，较原支架减小34%；最大负弯矩为0.486kNm，也减小了25%。

图11 斜梁弯矩图比较
优化布置前后支架结构的檩条和斜梁的最大弯矩和降低幅度均列于下表。

表1优化前后檩条和斜梁的最大弯矩比较
六、本工程中的应用
鄱阳湖项目支架应用了上述针对檩条的优化研究结果，及檩条跨度及悬挑长度的布置采用了优化布置。

由于考虑到支架在水上施工，桩基施工单独较大，故采用了单桩式的阵列支架，同时经过计算，在满足桩基受力承载能力的前提下，将桩距扩大到5.0m。

同时考虑到常规的柱顶与支架立柱连接方式需要现场焊接，水上作业难度大，安全性保障低，所以设计时支架与柱顶的连接采用了抱箍的连接方式，详见下图。

该种连接可以在陆地上先将单榀支架即斜梁、立柱及斜撑连接安装好，再将单榀支架安装到管桩上，对于高度有误差的桩位还可以通过抱箍进行竖向调节，可以大大减低施工难度。

在采用了檩条布置的优化，节约了钢材，降低了造价的同时，这种支架形式又降低了水面作业的施工难度，保证了工期进度。

图12 支架侧视图。