光伏电站组件支架设计(BIPV)

组件支架设计
1 太阳能支架设计
本项目光伏组件选择多晶硅固定倾角安装方式。

太阳能光伏方阵的支架安装型式既要依据建筑一体化的美观要求和承力要求，又要满足支架结构简单，安装调试和管理维护都很方便。

太阳能电池板支架的设计要满足其具有良好结构性能和防腐蚀性能，满足并网发电要求。

本次设计采用的组件是晶体硅组件，组件的尺寸为1631mm×1000mm×50mm，标称功率为230W，根据当地50年一遇风压设计值要求支架和组件能够承受的极限风速为29.7m/s, 根据当地气候条件采用支架南北方向倾角26度。

1.1 支架结构形式的选择
方案一：
混凝土框架结构的屋面，为达到充分利用太阳能辐射的目的，按照当地最佳倾角布置太阳能光伏组件。

为了降低组件整体安装高度，光伏阵列采用单排布置，南北向留出阴影间距，同时又作为检修通道。

支架采用热镀锌碳钢支架，组件采用背板或压块固定方式安装于铝合金檩条上。

太阳能电池组件支架结构采用国标型钢结构，表面采用热镀锌处理，保证结构具有良好的防腐蚀效果，结构采用螺栓紧固，确保支架能够抵御30m/s风速的载荷，电池板安装时设有2.0cm的泄风口，确保支架的稳定。

组件支撑结构的设计方案为：混凝土屋面的组件下部设置沿组件短向（安装孔位置）通长的铝合金型材（40×40），通过专用铝合金组件夹连接，以固定组件，单侧压块组合适用在只有一块组件边需要固定的情况，双侧压块组合适用于左右均有组件需要固定的情况。

如图1所示；
双侧压块的固定单侧压块的固定
图1 组件固定形式
安装组件的铝合金型材下设置主支撑竖梁，主支撑竖梁采用热镀锌C型钢（41.3×41.3
×2.5）制成，与铝合金型材采用螺栓连接，以方便施工；竖梁后端采用60×40的方钢作为后支撑与之相连，并将后支撑连接在后水泥预制墩上，竖梁前端直接与前水泥预制墩连接，前后水泥预制墩通过角钢连接，隔一个支墩连接一个角钢，预制墩再通多角钢与女儿墙连接固定，保证了整体的稳定性。

所有钢结构构件均采用热镀锌处理，铝合金表面阳极氧化处理，可以增加结构的耐久性。

支架结构及基础布置见图6.2。

图6.2 混凝土屋面带倾角支架结构
方案二：
混凝土框架结构的屋面，考虑到建筑一体化的美观效果，将电池板及支架平铺于带倾角的混凝土屋面。

将组件钢结构支架支撑在屋顶的预制块上，上面铺设太阳能组件。

支架结构简单，安装调试和管理维护都很方便。

支架采用热镀锌碳钢支架，组件采用背板或压块固定方式安装于铝合金檩条上。

太阳能电池组件支架结构采用国标型钢结构，表面采用热镀锌处理，保证结构具有良好的防腐蚀效果，结构采用螺栓紧固，确保支架能够抵御30m/s风速的载荷，电池板安装时设有2.0cm的泄风口，确保支架的稳定。

组件支撑结构的设计方案为：混凝土屋面的组件下部设置沿组件短向（安装孔位置）通长的铝合金型材（40×40），通过专用铝合金组件夹连接，以固定组件，单侧压块组合适用在只有一块组件边需要固定的情况，双侧压块组合适用于左右均有组件需要固定的情况。

如图1所示；
双侧压块的固定单侧压块的固定
图1 组件固定形式
安装组件的铝合金型材下设置主支撑竖梁，主支撑竖梁采用热镀锌C型钢（41.3×41.3×2.5）制成，与铝合金型材采用螺栓连接，以方便施工；竖梁两端直接与前水泥预制墩连接，前后水泥预制墩通过角钢连接，隔一个支墩连接一个角钢，预制墩再通多角钢与女儿墙连接固定，保证了整体的稳定性。

所有钢结构构件均采用热镀锌处理，铝合金表面阳极氧化处理，可以增加结构的耐久性。

支架结构及基础布置见图6.2。

图6.2 混凝土屋面平铺支架结构
方案三：
彩钢瓦屋面为达到充分利用太阳能辐射的目的，按照当地最佳倾角布置太阳能光伏组件。

为了降低组件整体安装高度，光伏阵列采用单排布置，南北向留出阴影间距，同时又作为检修通道。

支架采用热镀锌碳钢支架，组件采用背板或压块固定方式安装于铝合金檩条上。

太阳能电池组件支架结构采用国标型钢结构，表面采用热镀锌处理，保证结构具有良好的防腐蚀效果，结构采用螺栓紧固，确保支架能够抵御30m/s风速的载荷，电池板安装时设有2.0cm的泄风口，确保支架的稳定。

组件支撑结构的设计方案为：混凝土屋面的组件下部设置沿组件短向（安装孔位置）通长的铝合金型材（40×40），通过专用铝合金组件夹连接，以固定组件，单侧压块组合适用在只有一块组件边需要固定的情况，双侧压块组合适用于左右均有组件需要固定的情况。

如图1所示；
双侧压块的固定单侧压块的固定
图1 组件固定形式
安装组件的铝合金型材下设置主支撑竖梁，主支撑竖梁采用热镀锌C型钢（41.3×41.3×2.5）制成，与铝合金型材采用螺栓连接，以方便施工；竖梁后端采用60×40的方钢作为后支撑与之相连，横梁与竖梁通过螺栓连接，竖梁与屋面彩钢板采用专用铝合金夹具连接，形成完整结构体系，具有足够的强度和刚度。

所有钢结构构件均采用热镀锌处理，铝合金表面阳极氧化处理，可以增加结构的耐久性。

组件和支撑结构见图6.2。

图6.2 彩钢瓦屋面带倾角支架结构
方案四：
彩钢板屋面考虑到建筑一体化的美观效果，将电池板及支架平铺于带倾角的彩钢板屋面。

安装形式为利用钢或铝结构夹具，将组件钢结构支架支撑在屋顶的彩钢板肋条上，上面铺设太阳能组件。

支架结构简单，安装调试和管理维护都很方便。

太阳能电池组件支架结构采用国标型钢结构，表面采用热镀锌处理，保证结构具有良好的防腐蚀效果，结构采用螺栓紧固，确保支架能够抵御30m/s风速的载荷，电池板安装时设有2.0cm的泄风口，确保支架的稳定。

组件支撑结构的设计方案为：混凝土屋面的组件下部设置沿组件短向（安装孔位置）通长的铝合金型材（40×40），通过专用铝合金组件夹连接，以固定组件，单侧压块组合适用在只有一块组件边需要固定的情况，双侧压块组合适用于左右均有组件需要固定的情况。

如图1所示；
双侧压块的固定单侧压块的固定
图1 组件固定形式
彩钢板屋面的支架全部采用热镀锌C型钢来做。

横梁与数量通过螺栓连接，竖梁与屋面彩钢板采用专用铝合金夹具连接，形成完整结构体系，具有足够的强度和刚度。

所有钢结构构件均采用热镀锌处理，铝合金表面阳极氧化处理，可以增加结构的耐久性。

组件和支撑结构见图6.3。

图6.3 彩钢瓦屋面支架结构
组件与四周组件间隔20mm方便组件受热膨胀，组件之间采用压板的形式将光伏组件安装在钢结构支架上。

光伏组件距离彩钢板物面高度约0.15m。

1.2 支架设计标准和依据
《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
《钢结构设计规范》GB50017-2003
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
《建筑结构可靠设计统一标准》GB50068-2001
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
《建筑工程抗震设防分类标准》GB50023-2004
1.3 设计原则
a、贯彻“安全可靠、经济适用、符合国情”的电站建设方针；
b、全面执行国家的相关政策、法规；
c、总体规划布置：结合场址地形地质条件，采用适当场地平整，集中布置，安装便捷。

1.4 设计条件
a、结构设计使用年限：25年；
b、环境类别：地上一类；
c、风荷载：
50年一遇的基本风压：0.55KN/㎡。

极限风速：29.7m/s
设计风速：30m/s
d、基础方案：混凝土的屋面采用水泥预制墩做基础，彩钢板屋面采用专用铝合金夹具连接钢构件与屋面彩钢板和檩条连接。

e、使用材料：
热轧钢材：Q235B，铝型材：铝合金6063 T6。

1.5 太阳能方阵支架制作
1）原材料的采购
我公司全部原材料采购将严格按照国家标准进行。

全部构件应于安装前在监理人参与下进行试验、检验和整定，并应达到各自的订货合同规定的技术标准、规范及设计、制造厂商的要求。

我公司采购的钢材、零部件或自制的零部件、装配件应经过检验并有质量检验的合格证明。

代用品应经工程监理人批准后方可使用。

我公司在安装钢构件的过程中，应能满足安装环境的要求，如温度、湿度、含尘量等。

2）采购、加工和安装应遵循的规程规范
（1）GB/T 699-1999 优质碳素结构钢
（2）CB/T 700-2006 碳素结构钢
（3）GB/T 11263-2005 热轧H型钢和剖分T型钢
（4）GB/T 5117-1995 碳钢焊条
（5）GB/T 5118-1995 低合金钢焊条
（6）JGJ 81-2002 建筑钢结构焊接技术规程
（7）GB/T 5780-2000 六角头螺栓C级
（8）GB/T 5781-2000 六角头螺栓全螺纹C级
（9）GB/T 5782-2000 六角头螺栓
（10）GB＿8923-1988 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级
（11）GBCS71-94 施工现场焊接目测验收规范
（12）GB 50026-2007 工程测量规范
（13）GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范
3）原材料质量保证措施
（1)材料管理质量目标:材料采购必查“四证”，材料进场把好“四道验收关”，施工期间
动态控制，资料台帐齐全，保质、保量。

（2)掌握材料信息，优选供货厂家，掌握材料质量、价格、供货能力的信息，选择好供货厂家，就可获得质量好、价格低的材料资源，从而确保工程质量，降低工程造价。

（3)合理组织材料供应，确保施工正常进行，合理地、科学地组织材料的采购、加工、储备、运输，建立严密的计划、调度体系，加快材料的周转，减少材料的占用量，按质、按量、如期地满足建设需要。

（4)合理地组织材料使用，减少材料的损失，正确按定额计量使用材料，加强运输、仓库、保管工作，加强材料限额管理和发放工作，健全现场材料管理制度，避免材料损失、变质、生锈。

（5)加强材料检查验收，严把材料质量关。

a．对用于工程的主要材料，进场时必须具备正式的出厂合格证。

如不具备或对检验证明有疑问时，补作检验。

b．工程中所有构件，必须具有厂家批号和出厂合格证。

c．凡标志不清或认为质量有问题的材料；对质量保证资料有怀疑或同合同规定不符的一般材料；需进行追踪检验，以控制和保证其质量的材料等，应进行抽检。

d．重视材料的使用认证，以防错用或使用不合格的材料。

4）构件加工和防腐处理
所有构件拼装、组合、打孔必须在工厂内制作完成，出厂前应全部检验合格，并具有监理现场监造人员签字认可。

严禁在施工现场进行二次加工，确保现场无湿无火作业，除设计要求外，其余进场的材料或构件，严禁采用焊接方式连接。

5）主支撑梁系统
本工程支架主支撑梁采用Q235-B钢材，Q235B钢材应符合国家标准《碳素结构钢》CB/T700国家标准各项规定，钢材屈服强度fy≥235N/mm2。

钢构件外形尺寸主控项目的允许偏差应符合相关规范要求。

设计要求顶紧的节点，顶紧接触面应有75%以上的面积紧贴。

且边缘最大间隙不应大于0.8mm。

钢支架预拼装所用的支撑登或平台应测量找平，检查时应拆除全部临时固定和拉紧装置。

构件表面采用专门的抛丸设备进行表面除锈处理，并应达到Sa2.5级以上，表面镀锌。

涂装前钢材表面除锈应符合设计要求和国家现行有关标准的规定，处理后的钢材表面
不应有焊渣焊疤、灰尘、油污水和毛刺等。

焊工必须经考试合格并取得合格证书，持证焊工必须在其开始合格项目及其认可范围内施焊。

焊条在焊接前应进行烘干保存，如焊条生产厂家无烘焙规定或有关技术规范，则按下表的烘干要求执行：
本项目钢结构采用E43型焊条焊接，焊条的性能应符合《碳钢焊条》GN/T 5117相关要求，具体焊条型号的选用，应遵循《钢筋焊接及验收规程》JGJ18-2003和《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002、J218-2002行业标准的规定。

构件接长的对接焊缝与在工厂连接的坡口全融透焊缝、对接焊缝为一级焊缝，工地的坡口焊、融透焊、对接焊为二级，应按《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001的5.1及5.2规定进行外观及超声波（或射线）探伤检查及处置，并作记录。

焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。

一级、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷，且一级焊缝不得有咬边、未焊满、根部收缩等缺陷。

碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度低合金结构钢应在完成焊接24h以后，进行焊缝探伤检验。

（CB/T5780）螺栓。

普通螺栓采用C级（4.6级）。

应符合现行国家标准《六角头螺栓C级》
和《六角头螺栓》（GB/T5782）的规定。

构件开螺栓孔要求参见设计图纸。

钢构件应符合设计要求和相关规范的规定，运输堆放和吊装等造成的钢构件变形及涂层脱落应进行矫正和修补。

钢支架立柱支座中心对基础定位轴线的偏差不应大于10mm。

1.6 锚栓
采用《碳素结构钢》（GB/T 700）中规定的Q235钢制成。

构件开锚栓孔要求参见设计图纸。

6.2 太阳能支架计算
6.2.1 设计规范
《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
《钢结构设计规范》GB50017-2003
6.2.2 支架最佳倾角计算
我公司采用目前全球光伏行业领先的设计软件，进行系统设计，支架倾角的设计即根据该软件，以保障全年最大发电量的供电为模式，通过倾角的调整，选择系统损失最小的情况则该倾角为最佳倾角。

根据美国气象局nasa数据库资料，上海地区的基本气候情况见表1。

表1上海基本气候情况（据1971-2000年资料统计）
根据PVSYST4软件进行最佳角度对比如下：
图6.4 最佳倾角计算表6.2最佳倾角计算数据比较
过以上数据对比得出：本项目最佳倾角为26度。

6.2.3 支架间距计算(适用于方案一和方案三中最佳倾角固定方式)
当阳光照射到第一组方阵的顶点即A点，它在第二组方阵的投影点A1应不得高于第二组方阵的最低点，即不得遮挡第二组方阵的太阳能电池板，因此作以下计算：（1）根据太阳在不同纬度时的入射角不同，太阳能电池方阵工作的最佳倾斜角度应该是使方阵光伏组件表面始终与入射光线垂直，固定式太阳能阵列倾角设计为26°。

如图6.6所示：
图6.6 方阵间距计算模型
根据电站所处位置的纬度，我们取太阳入射角最小的数值即处于冬至这天9：00至3：00进行具体的计算，但入射角位于最小时，第一组方阵所形成的阴影最大，即前后排的距离是最长的。

因此，根据图示计算
L = A + H/tanβ
式中L--表示前后阵列间的距离；
H--表示太阳能阵列（或遮挡物）的垂直高度； β--表示太阳入射角；
A--表示方阵垂直投影与支柱中心的距离。

（2）根据国家发布的《独立光伏系统技术规范》中有关光伏方阵阵列间距或可能遮挡物与方阵底边垂直距离的计算公式，距离应不小于L ：
L =
0.707H
tan ⁡(arcsin 0.648cos Ф−0.399sin Ф )
式中Ф为纬度（在北半球为正、南半球为负）， H 为光伏方阵阵列或可能遮挡物高度。

Ф=31.17° H=0.73m
L =
0.707H
tan ⁡(arcsin 0.648cos Ф−0.399sin Ф )
= 1.39m
因此方阵间距选择1m ，即可不被遮挡。

6.2.4 混凝土屋面负重块计算（适用于方案一和方案二中混凝土屋面）
根据安装地实际情况，四周有女儿墙，与组件安装后的高度差不多，按GB50009-表7.3.1-29项选体型系数μs= -1.4，则按下式计算：
w w z s z k μμβ=
=1.0×(-1.0)×1.2×0.55= -0.66KN/㎡ 按设计值1.2算，Wk = -0.79KN/㎡
组件受到上扬力，故需验证负重块重量示是否足够支撑。

其受力情况如下图6.5所示。

图6.7 支墩负重计算模型
上扬力计算
根据计算，其受到上扬荷载为QY =0.79×Cos26=0.71KN/㎡,受力面积为S=1.667*2=3.334㎡。

上扬力：F=QY ×S=0.71*3.334KN=2.367KN ，相当于237KG 。

减去组件自身重量39KG 和支架重量28KG ，所需负重为G=237-39-28=170KG 实际负重块重量为0.4×0.4×0.3×2500×2=240KG ＞170KG,故该结构是稳定的。

前推力
如图6.4所示，前推分解力矩为0.576 KN/㎡，受力面积为S=1.58×2=3.16㎡。

前推力 F 推=0.576×3.16=1.82 KN
水泥负重块和水泥地面的摩擦系数取μ=0.65，则
F 重=(240-183) ×0.65/100=0.37KN<F 推，故水平向是不稳定的。

因为水平方向的不稳定性，用角钢将水泥支墩和女儿墙连接加固，保证了水平方向的稳定性。

6.2.5 支架计算
组件钢结构支架要在33m/s 的风载作用下正常使用，应使其主要构件满足强度要求、稳定性要求，即横梁、斜梁、斜撑、拉杆、立柱在风载作用下不失稳且立柱弯曲强度满足要求。

组件自重19.5kg 。

1）计算控制
变形控制： L （跨度）/200
应力控制：Q235许用应力170MPa ，短期极限应力215MPa ，屈服应力为235MPa 。

对于短期极大荷载，可选取215MPa 。

长细比控制：150 2）组件风荷载
21
()2w W C V S I J ρα=
⨯⨯⨯⨯⨯⨯
w
C 为风力系数。

由于电池板倾斜角为26°，顺风
w
C 为1，逆风
w
C 为1.33；
ρ为空气密度1.225824/Ns m 。

取冬季的空气密度；
V =33m/s ；
S=1.65*0.99=1.642m；
为高度补正系数0.833；
I为用途系数，假设为通常的太阳能光伏发电系统系数，1；
J为环境系数，假设为海上那样无障碍物的平坦地，系数为1.15；
单块电池板在顺风33m/s条件下：W1=867N。

单块电池板在逆风33m/s条件下：W2=1152N。

3）组件雪荷载
雪荷载标准值Sk = μrSo
Sk——雪荷载标准值(kN/m2)；
屋面积雪分布系数μr,参照《GB50009-2006》附表6.2.1屋面积雪分布系数;
基本雪压So,参照《GB50009-2006》附录D全国各城市的50年一遇雪压和风压值；
Sk =μrSo=0.6*0.4=0.24kN/m2
P = Sk S=0.24*1.64=400N
4）荷载组合
顺风条件极限荷载：F1=W1+（P+G）cos36°=867+（400+190）cos36°=1344N
逆风条件极限荷载：F2=1.2W2=1382N
冬季北风为主风向，逆风条件下对支架及组件系统的破坏力最大。

因此选择极大荷载F=1400N进行支架强度分析。

（极限条件，安全系数为1.2）
5）横梁强度校核
横梁为41.3*41.3*2.5C型槽钢，弹性模量为2e5MPa，泊松比0.3。

A=3.97cm2，Iy=13.41cm4，Wy=4.28cm3，Ry=1.83cm。

以连续梁进行Ansys计算：
建立4支座连续梁的Ansys模型，杆件长度9m，支座间距为1.425m，荷载为面接触。

图6.8横梁模型图
支座端面固定。

施加荷载设为面均布荷载，单块电池板的荷载加在两根1m长的横梁上，面均布荷载为：1400/(1*2*2*0.007)=50000Pa。

图6.9 横梁求解结果
最大变形量为5.2mm，最大应力为141MPa。

许可变形量为：1425/200=7.125mm；
许用应力为：170MPa，短期极限应力为215MPa。

最大变形量和最大应力均满足要求。

以受力最恶劣情况的简支梁模型计算横梁弯曲应力：
均布荷载：q=1400/2=700N/m
简支梁最大弯矩：M=ql2/8=700*2.8*2.8/8=686Nm
最大弯曲应力：p=M/Wy=686/4.28=160MPa《235MPa
弯曲应力满足要求。

6）后立柱强度校核（适用于方案一和方案三中最佳倾角固定）
冷弯矩形空心型钢60*40*2.5，弹性模量为2e5MPa，泊松比0.3。

A=4.59cm2，Ix=22.07cm4，Iy=11.73cm4，Wx=7.36cm3，Wy=4.87cm3，Rx=2.19cm，Ry=1.60cm。

下端面固定，上端面受力大小为3595N（由以上计算结果2996N，安全系数1.2）。

斜向下方向；支架理想化模型，上端X方向限位。

高1.9m。

结果为：最大变形量为0.37mm。

允许变形量为1800/200=9mm。

最大应力为65MPa。

最大变形量和最大应力均满足要求。

回转半径Ry=1.6cm。

杆件长细比为：119《150。

长细比满足要求，满足刚度要求。

图6.9 后立柱模型图图10 后立柱求解结果
6.3 支架基础设计
根据项目的建设特点，屋面项目又分为混凝土屋面和彩钢板屋面。

在混凝土的屋面采用预制水泥支墩作为基础，支墩预埋L型锚栓，预制墩之间用角钢连接，边上的预制墩与女儿墙用角钢连接，保证了结构整体的稳定性。

水泥支墩结构及基础不知如图11和图12所示。

图11 水泥支墩
图12基础布置图
彩钢板屋面采用型钢件和屋面檩条及彩钢瓦连接。

结构如图13所示。

图13 彩钢板支架结构图。