固定式光伏支架設(shè)計

頡棟++顏魯薪

摘要：太陽能光伏組件發(fā)電與日照強度、日照時間以及電池板擺放位置和傾角有直接關(guān)系，針對天?？h地理位置以及氣候條件，設(shè)計了一種適合天?？h實際情況的光伏系統(tǒng)支架。本文對該光伏組件支架材質(zhì)，選型，負荷分析進行詳細的分析和闡述，支架的結(jié)構(gòu)牢固可靠，能承受自重，風荷載和其他外部效應(yīng)。安全可靠的安裝，以最小的安裝成本達到最大的使用效果。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電 組件支架 支架設(shè)計 負荷分析

1 天祝縣地理位置及氣候條件

天祝藏族自治縣簡稱天?？h，它地處甘肅省中部，是武威市的一個下轄縣，它是新中國成立后第一個實行民族自治政策的地區(qū)。天?？h位于東經(jīng)102°07′-103°46′，北緯36°31′-37°55′之間。其南北總長度為158.4公里，東西寬達142.6公里，總面積為7149平方公里，占甘肅總面積的1.54%。天?？h境內(nèi)主要有兩種氣候類型，以烏鞘嶺為分界線，烏鞘嶺以南為大陸性高原季風氣候，嶺北為溫帶大陸性半干旱氣候。平均氣溫為-8°-4℃。天?？h內(nèi)氣候復雜多變，常會發(fā)生洪澇、干旱、暴風雪等自然災(zāi)害。境內(nèi)出現(xiàn)12級以上臺風概率不大，一般最高風速不超過10級，風力破壞度不大，冬季常出現(xiàn)雨雪天氣，地面積雪深度不超過20cm，出現(xiàn)破壞性地震概率相對很小。

2 支架材料選用及處理

目前支架材料用到的主要是普通鋼材、不銹鋼及鋁合金。本方案選用最容易獲得的角鋼（L50×50×t6）。露天使用，鋼材容易銹蝕，最終致使支架結(jié)構(gòu)失效，故本方案采取支架打磨處理以后噴漆防腐。

3 光伏組件的傾角

光伏組件放置的角度和形式直接影響著光伏系統(tǒng)的太陽輻射情況。因此，在進行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計人員必須調(diào)整好組件的放置形式和角度，以有效地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力，以滿足更多牧民的用電需要。在放置光伏組件時，要注意太陽電池組件的傾角和方位角，使其更充分地接受太陽光。在選擇傾角時要遵循連續(xù)性、極大性和均勻性。技術(shù)人員通常采用近似法來確定光伏組件的傾角。一般情況下，北方地區(qū)的傾角高出當?shù)鼐S度5°-10°，南方地區(qū)的傾角高出當?shù)鼐暥?0°-15°。將天祝縣維度取平均值約為38°，因此其太陽電池的方陣傾角Q=38°+10°=48°。

4 支架強度計算

根據(jù)天?？h實際氣候條件本套光伏發(fā)電系統(tǒng)中支架強度計算只考慮固定荷重G，暴風雨的風壓荷重W和積雪荷重S的短期復合荷重。天?？h最大風速不超過12級（32.6m/s），本系統(tǒng)設(shè)計風速為40m/s，積雪厚度不超過20cm，取積雪深度為20cm。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)有一定的傾角對20cm的積雪有自行滑落的能力，所以本處不考慮積雪所產(chǎn)生的荷重。支架設(shè)計簡圖如圖1所示。

4.1 總荷重計算

①固定荷重G

組件質(zhì)量Gm=20.1kg=197N

角鋼框架自重Gk=4.43kg/m×1.665m×2

=14.8kg=144.6N

固定荷重G=197+144.6=341.6（N）

②風壓荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J

式中Cw為風力系數(shù)，通過查閱資料可知順風時Cw=1.06，逆風時Cw=1.43；

Ρ為空氣密度=1.274N*s2/m4；

V為風速=40m/s；

S面積=1.586×0.808=1.28m2；

α為高度補正系數(shù)=（h/h0）1/5，h為陣列的地面以上高度，這里取值為2.5m，h0為基準地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I為用途系數(shù)=本光伏發(fā)電系統(tǒng)為通常光伏發(fā)電系統(tǒng)所以系數(shù)取1；

J為環(huán)境系數(shù)=本光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有障礙物的平坦地，系數(shù)取1.15。

當風從陣列前方吹來（順風）的時候風壓負荷W為

W=1/2×1.06×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1205.5N

當風從陣列后方吹來（逆風）的時候風壓負荷W1為

W1=1/2×1.43×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1626.2N

該風壓對太陽能電池方陣作為上吹荷重起作用。

③總荷重

順風時候總荷重G+W=341.6+1205.5=1547.1N

逆風時候總荷重G-W1=341.6-1626.2=-1284.6N

4.2 安裝光伏電池板的角鋼框架彎曲校核

角鋼框架受力圖如圖2所示。

■

圖2

由于順風時總荷重大于逆風時，取較大的荷重計算，并認為框架受到均布荷重。

1250mm跨距框架受到的彎矩為：M=WL2/8

式中：W——單位長度的荷載N·m；

L——跨距長m。

可得，M=（1547.1×1215/1665÷1.215） ×1.2152÷

8=171.5（N·m）

應(yīng)力σ1=M/Z

式中：Z——截面系數(shù)

因為桿件采用的是角鋼，且有2根受力，其截面系數(shù)z=5.85cm3

則：σ1=17150/5.85×2=5863.3（N·cm2）

由于材料Q235的短期彎曲許用應(yīng)力為15600N·cm2。5863.3<15600，是安全的。

4.3 支撐桿的壓曲荷重

本方案中有兩根支撐桿，計算中總荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半，則：

P=1547.1/2=773.6N

壓曲荷重由下式（歐拉公式）求出：

Pk=n×π2×E×I/L2

式中：Pk——壓曲荷重N；

I——軸向截面二次力矩；

n——由兩端的支撐條決定的系數(shù)；

E——材料縱向彈性系數(shù)；

L——軸長；

Pk=1×3.142×20.6×106×12.21/982=208kN

由于Pk>P，所以是安全的。

4.4 支撐桿的拉伸強度

兩根支撐桿在逆風時，受揚力作用，產(chǎn)生拉伸。荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半。

拉伸應(yīng)力σ=P/A

式中：P——單根荷重；

A——截面積（cm2），查表得A=5.347cm2

P=1547.1/2=773.6N

σ=773.6/5.347=144.7N/cm2

由于Q235的彎曲許用應(yīng)力為15600N·cm2，則有144.7<15600，在安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

方案通過設(shè)計、校核及實踐證明，此方案是可靠的。本方案有效地解決了天?？h牧區(qū)電力匱乏的問題，為提升牧民生活水平創(chuàng)造了有力的電力保障。

參考文獻：

[1][日]太陽光發(fā)電協(xié)會編，劉樹民，宏偉（譯）.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與施工[M].北京：科學出版社，2006.

[2]黃浩，吳志學.光伏組件變形對組件性能的影響研究[J].機械工程與自動化，2011（4）：107-109.

[3]李天下.太陽能光伏支架系統(tǒng)的應(yīng)用[J].陽光能源，2010（10）.

[4]呂宏偉，李新忠.太陽能光伏支架結(jié)構(gòu)風載取值分析[J].西北水電，2012（05）.

[5]山海建，蔣侃鎖.固定式光伏支架設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2011（19）.

[6]昝曉磊.某新建光伏發(fā)電項目光伏板支架基礎(chǔ)設(shè)計選型[J].福建建材，2013（02）.endprint

摘要：太陽能光伏組件發(fā)電與日照強度、日照時間以及電池板擺放位置和傾角有直接關(guān)系，針對天?？h地理位置以及氣候條件，設(shè)計了一種適合天?？h實際情況的光伏系統(tǒng)支架。本文對該光伏組件支架材質(zhì)，選型，負荷分析進行詳細的分析和闡述，支架的結(jié)構(gòu)牢固可靠，能承受自重，風荷載和其他外部效應(yīng)。安全可靠的安裝，以最小的安裝成本達到最大的使用效果。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電 組件支架 支架設(shè)計 負荷分析

1 天?？h地理位置及氣候條件

天祝藏族自治縣簡稱天?？h，它地處甘肅省中部，是武威市的一個下轄縣，它是新中國成立后第一個實行民族自治政策的地區(qū)。天?？h位于東經(jīng)102°07′-103°46′，北緯36°31′-37°55′之間。其南北總長度為158.4公里，東西寬達142.6公里，總面積為7149平方公里，占甘肅總面積的1.54%。天?？h境內(nèi)主要有兩種氣候類型，以烏鞘嶺為分界線，烏鞘嶺以南為大陸性高原季風氣候，嶺北為溫帶大陸性半干旱氣候。平均氣溫為-8°-4℃。天?？h內(nèi)氣候復雜多變，常會發(fā)生洪澇、干旱、暴風雪等自然災(zāi)害。境內(nèi)出現(xiàn)12級以上臺風概率不大，一般最高風速不超過10級，風力破壞度不大，冬季常出現(xiàn)雨雪天氣，地面積雪深度不超過20cm，出現(xiàn)破壞性地震概率相對很小。

2 支架材料選用及處理

目前支架材料用到的主要是普通鋼材、不銹鋼及鋁合金。本方案選用最容易獲得的角鋼（L50×50×t6）。露天使用，鋼材容易銹蝕，最終致使支架結(jié)構(gòu)失效，故本方案采取支架打磨處理以后噴漆防腐。

3 光伏組件的傾角

光伏組件放置的角度和形式直接影響著光伏系統(tǒng)的太陽輻射情況。因此，在進行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計人員必須調(diào)整好組件的放置形式和角度，以有效地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力，以滿足更多牧民的用電需要。在放置光伏組件時，要注意太陽電池組件的傾角和方位角，使其更充分地接受太陽光。在選擇傾角時要遵循連續(xù)性、極大性和均勻性。技術(shù)人員通常采用近似法來確定光伏組件的傾角。一般情況下，北方地區(qū)的傾角高出當?shù)鼐S度5°-10°，南方地區(qū)的傾角高出當?shù)鼐暥?0°-15°。將天?？h維度取平均值約為38°，因此其太陽電池的方陣傾角Q=38°+10°=48°。

4 支架強度計算

根據(jù)天?？h實際氣候條件本套光伏發(fā)電系統(tǒng)中支架強度計算只考慮固定荷重G，暴風雨的風壓荷重W和積雪荷重S的短期復合荷重。天?？h最大風速不超過12級（32.6m/s），本系統(tǒng)設(shè)計風速為40m/s，積雪厚度不超過20cm，取積雪深度為20cm。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)有一定的傾角對20cm的積雪有自行滑落的能力，所以本處不考慮積雪所產(chǎn)生的荷重。支架設(shè)計簡圖如圖1所示。

4.1 總荷重計算

①固定荷重G

組件質(zhì)量Gm=20.1kg=197N

角鋼框架自重Gk=4.43kg/m×1.665m×2

=14.8kg=144.6N

固定荷重G=197+144.6=341.6（N）

②風壓荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J

式中Cw為風力系數(shù)，通過查閱資料可知順風時Cw=1.06，逆風時Cw=1.43；

Ρ為空氣密度=1.274N*s2/m4；

V為風速=40m/s；

S面積=1.586×0.808=1.28m2；

α為高度補正系數(shù)=（h/h0）1/5，h為陣列的地面以上高度，這里取值為2.5m，h0為基準地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I為用途系數(shù)=本光伏發(fā)電系統(tǒng)為通常光伏發(fā)電系統(tǒng)所以系數(shù)取1；

J為環(huán)境系數(shù)=本光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有障礙物的平坦地，系數(shù)取1.15。

當風從陣列前方吹來（順風）的時候風壓負荷W為

W=1/2×1.06×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1205.5N

當風從陣列后方吹來（逆風）的時候風壓負荷W1為

W1=1/2×1.43×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1626.2N

該風壓對太陽能電池方陣作為上吹荷重起作用。

③總荷重

順風時候總荷重G+W=341.6+1205.5=1547.1N

逆風時候總荷重G-W1=341.6-1626.2=-1284.6N

4.2 安裝光伏電池板的角鋼框架彎曲校核

角鋼框架受力圖如圖2所示。

■

圖2

由于順風時總荷重大于逆風時，取較大的荷重計算，并認為框架受到均布荷重。

1250mm跨距框架受到的彎矩為：M=WL2/8

式中：W——單位長度的荷載N·m；

L——跨距長m。

可得，M=（1547.1×1215/1665÷1.215） ×1.2152÷

8=171.5（N·m）

應(yīng)力σ1=M/Z

式中：Z——截面系數(shù)

因為桿件采用的是角鋼，且有2根受力，其截面系數(shù)z=5.85cm3

則：σ1=17150/5.85×2=5863.3（N·cm2）

由于材料Q235的短期彎曲許用應(yīng)力為15600N·cm2。5863.3<15600，是安全的。

4.3 支撐桿的壓曲荷重

本方案中有兩根支撐桿，計算中總荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半，則：

P=1547.1/2=773.6N

壓曲荷重由下式（歐拉公式）求出：

Pk=n×π2×E×I/L2

式中：Pk——壓曲荷重N；

I——軸向截面二次力矩；

n——由兩端的支撐條決定的系數(shù)；

E——材料縱向彈性系數(shù)；

L——軸長；

Pk=1×3.142×20.6×106×12.21/982=208kN

由于Pk>P，所以是安全的。

4.4 支撐桿的拉伸強度

兩根支撐桿在逆風時，受揚力作用，產(chǎn)生拉伸。荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半。

拉伸應(yīng)力σ=P/A

式中：P——單根荷重；

A——截面積（cm2），查表得A=5.347cm2

P=1547.1/2=773.6N

σ=773.6/5.347=144.7N/cm2

由于Q235的彎曲許用應(yīng)力為15600N·cm2，則有144.7<15600，在安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

方案通過設(shè)計、校核及實踐證明，此方案是可靠的。本方案有效地解決了天?？h牧區(qū)電力匱乏的問題，為提升牧民生活水平創(chuàng)造了有力的電力保障。

參考文獻：

[1][日]太陽光發(fā)電協(xié)會編，劉樹民，宏偉（譯）.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與施工[M].北京：科學出版社，2006.

[2]黃浩，吳志學.光伏組件變形對組件性能的影響研究[J].機械工程與自動化，2011（4）：107-109.

[3]李天下.太陽能光伏支架系統(tǒng)的應(yīng)用[J].陽光能源，2010（10）.

[4]呂宏偉，李新忠.太陽能光伏支架結(jié)構(gòu)風載取值分析[J].西北水電，2012（05）.

[5]山海建，蔣侃鎖.固定式光伏支架設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2011（19）.

[6]昝曉磊.某新建光伏發(fā)電項目光伏板支架基礎(chǔ)設(shè)計選型[J].福建建材，2013（02）.endprint

摘要：太陽能光伏組件發(fā)電與日照強度、日照時間以及電池板擺放位置和傾角有直接關(guān)系，針對天?？h地理位置以及氣候條件，設(shè)計了一種適合天?？h實際情況的光伏系統(tǒng)支架。本文對該光伏組件支架材質(zhì)，選型，負荷分析進行詳細的分析和闡述，支架的結(jié)構(gòu)牢固可靠，能承受自重，風荷載和其他外部效應(yīng)。安全可靠的安裝，以最小的安裝成本達到最大的使用效果。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電 組件支架 支架設(shè)計 負荷分析

1 天?？h地理位置及氣候條件

天祝藏族自治縣簡稱天?？h，它地處甘肅省中部，是武威市的一個下轄縣，它是新中國成立后第一個實行民族自治政策的地區(qū)。天?？h位于東經(jīng)102°07′-103°46′，北緯36°31′-37°55′之間。其南北總長度為158.4公里，東西寬達142.6公里，總面積為7149平方公里，占甘肅總面積的1.54%。天祝縣境內(nèi)主要有兩種氣候類型，以烏鞘嶺為分界線，烏鞘嶺以南為大陸性高原季風氣候，嶺北為溫帶大陸性半干旱氣候。平均氣溫為-8°-4℃。天?？h內(nèi)氣候復雜多變，常會發(fā)生洪澇、干旱、暴風雪等自然災(zāi)害。境內(nèi)出現(xiàn)12級以上臺風概率不大，一般最高風速不超過10級，風力破壞度不大，冬季常出現(xiàn)雨雪天氣，地面積雪深度不超過20cm，出現(xiàn)破壞性地震概率相對很小。

2 支架材料選用及處理

目前支架材料用到的主要是普通鋼材、不銹鋼及鋁合金。本方案選用最容易獲得的角鋼（L50×50×t6）。露天使用，鋼材容易銹蝕，最終致使支架結(jié)構(gòu)失效，故本方案采取支架打磨處理以后噴漆防腐。

3 光伏組件的傾角

光伏組件放置的角度和形式直接影響著光伏系統(tǒng)的太陽輻射情況。因此，在進行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計人員必須調(diào)整好組件的放置形式和角度，以有效地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力，以滿足更多牧民的用電需要。在放置光伏組件時，要注意太陽電池組件的傾角和方位角，使其更充分地接受太陽光。在選擇傾角時要遵循連續(xù)性、極大性和均勻性。技術(shù)人員通常采用近似法來確定光伏組件的傾角。一般情況下，北方地區(qū)的傾角高出當?shù)鼐S度5°-10°，南方地區(qū)的傾角高出當?shù)鼐暥?0°-15°。將天?？h維度取平均值約為38°，因此其太陽電池的方陣傾角Q=38°+10°=48°。

4 支架強度計算

根據(jù)天?？h實際氣候條件本套光伏發(fā)電系統(tǒng)中支架強度計算只考慮固定荷重G，暴風雨的風壓荷重W和積雪荷重S的短期復合荷重。天?？h最大風速不超過12級（32.6m/s），本系統(tǒng)設(shè)計風速為40m/s，積雪厚度不超過20cm，取積雪深度為20cm。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)有一定的傾角對20cm的積雪有自行滑落的能力，所以本處不考慮積雪所產(chǎn)生的荷重。支架設(shè)計簡圖如圖1所示。

4.1 總荷重計算

①固定荷重G

組件質(zhì)量Gm=20.1kg=197N

角鋼框架自重Gk=4.43kg/m×1.665m×2

=14.8kg=144.6N

固定荷重G=197+144.6=341.6（N）

②風壓荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J

式中Cw為風力系數(shù)，通過查閱資料可知順風時Cw=1.06，逆風時Cw=1.43；

Ρ為空氣密度=1.274N*s2/m4；

V為風速=40m/s；

S面積=1.586×0.808=1.28m2；

α為高度補正系數(shù)=（h/h0）1/5，h為陣列的地面以上高度，這里取值為2.5m，h0為基準地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I為用途系數(shù)=本光伏發(fā)電系統(tǒng)為通常光伏發(fā)電系統(tǒng)所以系數(shù)取1；

J為環(huán)境系數(shù)=本光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有障礙物的平坦地，系數(shù)取1.15。

當風從陣列前方吹來（順風）的時候風壓負荷W為

W=1/2×1.06×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1205.5N

當風從陣列后方吹來（逆風）的時候風壓負荷W1為

W1=1/2×1.43×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1626.2N

該風壓對太陽能電池方陣作為上吹荷重起作用。

③總荷重

順風時候總荷重G+W=341.6+1205.5=1547.1N

逆風時候總荷重G-W1=341.6-1626.2=-1284.6N

4.2 安裝光伏電池板的角鋼框架彎曲校核

角鋼框架受力圖如圖2所示。

■

圖2

由于順風時總荷重大于逆風時，取較大的荷重計算，并認為框架受到均布荷重。

1250mm跨距框架受到的彎矩為：M=WL2/8

式中：W——單位長度的荷載N·m；

L——跨距長m。

可得，M=（1547.1×1215/1665÷1.215） ×1.2152÷

8=171.5（N·m）

應(yīng)力σ1=M/Z

式中：Z——截面系數(shù)

因為桿件采用的是角鋼，且有2根受力，其截面系數(shù)z=5.85cm3

則：σ1=17150/5.85×2=5863.3（N·cm2）

由于材料Q235的短期彎曲許用應(yīng)力為15600N·cm2。5863.3<15600，是安全的。

4.3 支撐桿的壓曲荷重

本方案中有兩根支撐桿，計算中總荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半，則：

P=1547.1/2=773.6N

壓曲荷重由下式（歐拉公式）求出：

Pk=n×π2×E×I/L2

式中：Pk——壓曲荷重N；

I——軸向截面二次力矩；

n——由兩端的支撐條決定的系數(shù)；

E——材料縱向彈性系數(shù)；

L——軸長；

Pk=1×3.142×20.6×106×12.21/982=208kN

由于Pk>P，所以是安全的。

4.4 支撐桿的拉伸強度

兩根支撐桿在逆風時，受揚力作用，產(chǎn)生拉伸。荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半。

拉伸應(yīng)力σ=P/A

式中：P——單根荷重；

A——截面積（cm2），查表得A=5.347cm2

P=1547.1/2=773.6N

σ=773.6/5.347=144.7N/cm2

由于Q235的彎曲許用應(yīng)力為15600N·cm2，則有144.7<15600，在安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

方案通過設(shè)計、校核及實踐證明，此方案是可靠的。本方案有效地解決了天?？h牧區(qū)電力匱乏的問題，為提升牧民生活水平創(chuàng)造了有力的電力保障。

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