光伏電站支架系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究

朱德志，胡春花，王紅林，歐陽菲菲，陳戎軍

(鎮(zhèn)江高等專科學校 電氣與電競學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

國家通過各種補貼政策促進分布式光伏發(fā)電項目的發(fā)展，2013年國內(nèi)裝機量超過德國，成為全球第一，截至2017年，連續(xù)5年穩(wěn)居全球首位[1]。分布式光伏發(fā)電站可以減少燃煤發(fā)電機組的建設，促進碧水藍天的實現(xiàn)。目前常見的新能源有太陽能、風能、生物質(zhì)能等，均為分布式電源(Distributed Energy Resource)[2]。近年來，光伏發(fā)電技術發(fā)展迅速。建設分布式光伏發(fā)電站時需要設計最佳光伏支架系統(tǒng)，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)結構穩(wěn)固的同時質(zhì)量最小。筆者對江蘇穩(wěn)潤光電有限公司1.3 MW光伏發(fā)電項目的光伏支架設計進行分析研究，設計合適的支架系統(tǒng)，使得光伏電站建筑載荷安全、造價合理、發(fā)電產(chǎn)出最高。

1 光伏支架的選擇

光伏支架的設計原則是結構穩(wěn)固、質(zhì)量最小。查閱資料，鎮(zhèn)江地區(qū)光伏支架系統(tǒng)的最佳傾角為30°，以此進行支架的抗風計算，合格的支架系統(tǒng)的砼支墩應不小于400 mm×400 mm×400 mm，砼支墩橫向間距(支架的跨度)小于等于2 m。這樣的支架系統(tǒng)恒載荷很大，會大幅減少建筑物的載荷安全余量，需要進一步優(yōu)化，以提高建筑物的安全系數(shù)。

減少支架系統(tǒng)砼支墩質(zhì)量的最好辦法是縮小支架的傾角，這樣，組件背面風力的傾覆力矩會變小。首先，筆者比較了江蘇穩(wěn)潤光電有限公司廠房幾種角度的排布率，發(fā)現(xiàn)15°傾角比最佳傾角30°的排布率增加25%。其次，使用PVSYST軟件進行系統(tǒng)模擬計算，相比30°傾角，15°傾角的支架的發(fā)電效率僅降低了2%，如圖1所示。再次，15°傾角對組件發(fā)電效率和組件雨水自潔影響不大。筆者初步確定按照15°傾角進行支架的設計、效驗和計算。

圖1 PVSYST軟件分析15°傾角

砼屋面通常采用性價比高的鋼結構支架，本項目初步選擇質(zhì)量最小的3橫梁雙排橫排鋼結構支架。鋼結構支架設計的計算依據(jù)為《建筑結構載荷規(guī)范》(GB 50009—2012)[3]和《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017—2003)[4]。根據(jù)《實用建筑結構靜力學計算手冊》[5]32進行結構的優(yōu)化設計。計算后初步確定前支墩為400 mm×400 mm×200 mm，后支墩為400 mm×400 mm×300 mm。鋼結構支架的立柱和橫梁采用41 mm×41 mm×2 mm的C型鋼，厚度為2.0 mm。砼支墩的橫向間距初步確定為2 m，支架的縱向間距為1.6 m，如圖2所示。

圖2 15°傾角的支架安裝側視圖

2 光伏支架的抗傾覆計算

2.1 支架系統(tǒng)的恒載荷計算

1) C型鋼約1.88 kg/m。每跨支架有3根長度為2 m的C型鋼橫梁，質(zhì)量為11.28 kg；1根2.2 m的C型鋼縱梁，質(zhì)量為4.14 kg；總長為0.72 m的C型鋼前后立柱，質(zhì)量為1.36 kg。綜合后，每跨支架C型鋼鋼結構的總質(zhì)量為16.78 kg。

2) 每跨支架2個砼支墩，砼密度約為2 500 kg/m3，前支墩為0.4 m×0.4 m×0.2 m，質(zhì)量為80 kg； 后支墩為0.4 m×0.4 m×0.3 m，質(zhì)量為120 kg。

3) 項目所采用的組件為1.65 m×0.99 m，組件單質(zhì)量約19 kg，采用雙排橫排結構。每平方米的組件質(zhì)量為11.63 kg。每跨長度為2 m，寬度為2 m，每跨組件的質(zhì)量為46.52 kg。

4) 每跨光伏支架的總恒載荷

F跨恒載荷=16.78+200+46.52=263.30(kg)。

每跨支架的橫向間距為2 m，縱向間距為1.6 m，砼支墩占地0.4 m×0.4 m，每平方米恒載荷

2.2 支架系統(tǒng)的風載荷計算

1) 風振系數(shù)βz選取。結合《光伏(PV)組件安全鑒定》(IEC 61730)[6]中對光伏組件能承受的風速要求，按照瞬時風速與10 min平均風速的換算關系可計算得到極大風載荷值[7]22，查閱鎮(zhèn)江地區(qū)氣象資料，可知50年一遇基本風壓ω0為0.45 kN·m-2，根據(jù)《建筑結構載荷規(guī)范》(GB 50009—2012)，βz取1.0。

2) 風載荷體型系數(shù)μs選取。按《建筑結構載荷規(guī)范》(GB 50009—2012)表7.3.1第29項目，工程支架傾角為15°，則背風面μs1=-1.35，μs2=-0.55； 迎風面μs3=1.35，μs4=0.55。

3) 風壓高度系數(shù)μz選取。工程所在地地面粗糙度按B級考慮，涉及建筑物最大高度為20 m，按照《建筑結構載荷規(guī)范》(GB 50009—2012)中表7.2.1，μz取1.25。

4) 每平方米背風面垂直于組件的風載荷(即風锨力)F1計算如下：

2.3 支架系統(tǒng)的抗傾覆計算

1) 風力對組件的傾覆力矩。取一跨支架系統(tǒng)進行受力分析，組件為2塊，單塊組件的寬度為0.992 m，支架系統(tǒng)跨度為2 m，每跨支架系統(tǒng)的組件面積S=3.968 m2。風載荷F對支架系統(tǒng)的傾覆力矩M1的力臂L1=1.16 m。

M1=FSL1=53.5×3.968×1.16≈
246(kg·m)=2.46(kN·m)。

2) 抗傾覆力矩。按照前述支架系統(tǒng)恒載荷計算結果，前支墩自重(Fa)和后支墩自重(Fb)分別為

如圖3所示，抗傾覆力的前支墩的力臂L2=0.2 m，后支墩的力臂L3=0.2+1.598=1.798(m)?？箖A覆力矩

M2=FaL2+FbL3=
1.12×0.2+1.52×1.798≈2.96(kN·m)。

圖3 支架風锨力受力圖

筆者選型的支架系統(tǒng)抗傾覆力矩M2>傾覆力矩M1，該支架系統(tǒng)的穩(wěn)固性能符合要求。

3 建筑載荷的評估

1) 支架系統(tǒng)的恒載荷。F恒載荷=0.55 kN·m-2。

2) 光伏支架的風載荷。如圖4所示，每平方米迎風面垂直于組件的風載荷(即風壓力)F2計算如下：

換算為對地面的垂直壓力

F風=53.5×cos 15°≈51.6。

圖4 支架風壓力受力圖

3) 光伏支架的雪載荷。屋面水平投影面上的雪載荷標準值sk=μrs0，μr為屋面積雪分布系數(shù)，取1.0，s0為基本雪壓，鎮(zhèn)江地區(qū)s0=0.4 kN·m-2，則組件雪載荷標準值

F雪=sk=μrs0=0.4×1=40(kg·m-2)。

4) 光伏支架的每平方米組合載荷。江蘇穩(wěn)潤光電有限公司的廠房為框架砼結構，廠房屋面為上人屋面。按《建筑結構載荷規(guī)范》(GB 50009—2012)規(guī)定的上人屋面設計均布活載荷標準值為2 kN·m-2，屋面均布活載荷和雪載荷不應同時組合。分別按照恒載荷與風載荷組合、恒載荷與雪載荷組合進行計算，則

F3=F恒載荷+F風=55+51.6=106.6(kg·m-2)=
1.06(kN·m-2)。

F4=F恒載荷+F雪=55+40=95(kg·m-2)=
0.95(kN·m-2)。

江蘇穩(wěn)潤光電有限公司的廠房為上人屋面，按《建筑結構載荷規(guī)范》(GB 50009—2012)，目前的支架設計方案符合屋面載荷要求。

4 支架系統(tǒng)優(yōu)化設計總體結論

江蘇穩(wěn)潤光電有限公司廠房光伏支架優(yōu)化后的選型設計方案符合要求?？s小光伏支架的傾角可以大大減輕光伏支架系統(tǒng)的質(zhì)量，減少投資額度，提高建筑物屋頂?shù)陌踩嗔浚野l(fā)電量未受影響。

5 結束語

分布式光伏項目能大幅減少發(fā)電廠把電能傳輸給用戶時的線路傳輸損耗，有益于社會能源健康發(fā)展。光伏支架的優(yōu)化設計能夠在充分利用太陽能資源的同時滿足安全和經(jīng)濟投資需要。