太阳能光伏发电系统工程结构强度设计

太阳能光伏发电系统工程结构强度设计

郝文华

（中兴通讯股份有限公司，深圳 518055）

摘要：本文简单介绍了太阳能光伏发电系统及其阵列的工程设计条件，包括倾斜角和方位角、支架强度设计荷载条件、地基稳定性设计等，并且给出了某几个站点的太阳能阵列抗风以及稳定性分析实例。另外，本文还通过频率分析给出了支架结构抗风稳定性的校核方法。

关键词：抗风；太阳能光伏发电系统；稳定性

Engineering Structure Design of

Photovoltaic Power Generating System

HAO Wen-hua

(ZTE Corporation, Shenzhen 518055, China)

Abstract: This article presents photovoltaic power generating system and its engineering design elements covering slope angle, direction angle, loading conditions of stand design and foundation stability design. Examples are given to explain wind resistance and stability analysis. Besides, frequency method is introduced to verify structure wind resistance stability.

Key words: wind resistance; photovoltaic power generating system; stability

1 太阳能光伏发电系统基本介绍

太阳能光伏系统（Photovoltaic Power Generating

System，简称PV系统）利用太阳能电池半导体材

料的光伏效应将太阳能光辐射直接转换成电能，常

见一般有独立运行和并网运行两种方式。在通讯行

业中，PV系统主要用于无电网的偏远地区、人口

分散地区、以及无人值守地点的微波传送站、无线

发射点的供电等。另外在有公共电网的地区，PV 系统与电网连接并网运行，可以提高发电效率，兼有成本和环保优势。

一套基本的PV系统主要包括太阳能电池组件、充电控制器、逆变器、蓄电池等，见图1。其中太阳能电池组件由数十个太阳能电池单元串联后进行耐候性封装构成，而太阳能电池组件的组合则形成了太阳能电池阵列。

图2是一种单晶硅型太阳能电池组件。太阳能电池组件的强度取决于无色透明强化玻璃的厚度、框架的材料和厚度及形状、固定用金属零件如螺丝

图1 PV系统的基本构成

图2 太阳能电池组件

和螺母的直径和个数，安装时一定要严格遵守厂家指定的条件。另外，太阳能电池组件必须具有足够

控制器

太阳能电池组件

AC负载

DC负载

蓄电池

逆变器

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的抗冲击能力，以满足可能的冰雹环境下的正常使用。可以采用IEC61251规定的冰雹撞击试验[1]，但是大部分情况下都采用重量(227±2)g, 直径约为38mm的钢球从1m高处自由落下的简单试验来代替冰雹撞击试验[2]。太阳能组件通常的期望寿命是20年，有的单晶硅型组件寿命可以达到25年。

2太阳能电池阵列设计条件

2.1太阳能电池阵列的方位角和倾斜角

太阳能阵列一般理想的安装场所为方向朝南，

倾斜角范围20°~50°，同时要考虑来自周围高大建

筑物遮挡阴影的影响。从国外的经验来看，理想的

情况是倾斜角和安装场所的纬度一致[2]。但是考虑

到寒冷地区降雪的影响，在冬季降雪频繁地区，倾

斜角度需要提高到45°以上，以使得20~30cm厚的

积雪能在自重作用下自行滑落。有资料显示，和正

南朝向相比，东南和西南朝向的发电量降低10%，

正东正西的发电量降低20%。

2.2太阳能电池阵列支架强度设计要求

《太阳能阵列用支撑物设计标准》（TRC

0006-1997）是日本制定的专门针对太阳能电池阵列

安装的支架设计的标准，综合了业内以及建筑设计

方面的要求，因此对太阳能电池阵列支架的设计和

施工具有更明确的有针对性的指导意义。

太阳能电池阵列支架的设计假想荷重包括持

久作用的固定荷重和自然界外力的风压荷重、积雪

荷重和地震荷重等，有时候也需要考虑因为温度变

化而产生的温度荷重，但是大多数情况下和其他荷

重相比，温度荷重很小，可以忽略。

固定荷重：组件质量和支撑物质量的总和。

风压荷重：加在组件上的风压力和加在支撑物

上的风压力总和。

积雪荷重：与组件面垂直的积雪荷重。

地震荷重：加在支撑物上的水平地震力。对于

钢结构支架，地震荷重一般比风压荷重小。

在设计太阳能电池阵列安装用支架结构的时

候，假想荷重中最大的荷重一般是风压荷重，因风

引起的损坏多数在强风时发生，因此TRC

0006-1997里规定的风压荷重只适用于防止因强风

导致的破坏的设计目的。

风压荷重取决于风力系数、设计用速度压以及

受风面积；而设计用速度压又受基准速度压、高度

补偿系数、用途系数和环境系数等因素的影响。基

准速度压直接取决于太阳能电池阵列的安装场所

地上高度10m处50年一遇的最大瞬时风速，由伯

努利方程确定：

基准速度压=1/2ρv2

式中ρ为空气密度，从安全角度考虑选择数值大的

冬天的空气密度1.3kg/m3。对于50年一遇的强风，

我国一般要求为60m/s，巴基斯坦为48m/s，日本要

求是60m/s，而美国则为67m/s。

2.3太阳能电池阵列固定地基设计要求

因为太阳能阵列本身迎风面积大，其基础设计

首要考虑的就是风压荷重。在强风作用下，基础设

计要考虑到以下的可能风险：

1) 横向风导致的基础滑动或者跌倒；

2) 垂直力导致的地基下沉；

3) 地基强度不足本身被破坏；

4) 吹进电池板背面的风使得构造物浮起；

5) 吹进电池板下侧的风产生漩涡，引起气压变

化，使电池板向地面吸引。

要想全面考虑到上述风险，必须通过作用于基

础的水平反力、垂直反力及力矩对基础进行强度和

稳定性校核。

3太阳能阵列支架分析实例

按照某局方要求，太阳能阵列支架需要承受

48m/s的风速, 综合考虑风力系数、高度系数、用

途系数、环境系数之后，计算得到的顺风风压为

1.32kN/m2, 逆风风压为1.80 kN/m2。另外，这一批

次的太阳能阵列的倾斜角固定设定为30°。由于局

方所在地没有降雪发生，同时地震引起的荷重也远

小于强风引起的荷重，所以分析中只考虑固定荷重

和风压荷重。

由于各个站点需求情况不一，出于成本考虑，

局方面临着单杆、双杆、多杆等支架设计方案选择。

本文对这些方案分别举例介绍，综合比较它们的刚

强度以及稳定性能。限于篇幅，抗风分析只给出了

顺风风压的计算结果。

图3 珠峰下移动通讯

太阳能阵列系统

图4 珠海桂山群岛移动

通讯太阳能阵列系统

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