山地光伏電站用單立柱和雙立柱光伏支架 結(jié)構(gòu)的受力對(duì)比分析

聶曉鵬

(貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司，貴陽 550006)

0 引言

光伏支架的作用是以一定的角度支撐光伏組件，從而使光伏組件能以最佳傾角發(fā)電[1]。因此，光伏支架的結(jié)構(gòu)應(yīng)具備安全性和穩(wěn)定性，需能在25年的光伏電站運(yùn)營期內(nèi)承受住風(fēng)荷載、雪荷載、地震作用等外荷載的影響。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，光伏支架結(jié)構(gòu)通?？煞譃榈孛婀夥Ъ芙Y(jié)構(gòu)、平屋面光伏支架結(jié)構(gòu)、斜屋面光伏支架結(jié)構(gòu)、立柱光伏支架結(jié)構(gòu)[2]。其中，用于山地光伏電站的立柱光伏支架結(jié)構(gòu)可分為單立柱光伏支架結(jié)構(gòu)和雙立柱光伏支架結(jié)構(gòu)，示意圖分別如圖1和圖2所示。圖中：L為檁條；Z為立柱；角標(biāo)為編號(hào)。本文以某山地光伏電站用立柱光伏支架結(jié)構(gòu)為例，對(duì)同一工況下單立柱和雙立柱光伏支架結(jié)構(gòu)的鋼用量、樁基礎(chǔ)受力及檁條撓度情況進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖1 單立柱光伏支架結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural diagram of single-pillar PV support

圖2 雙立柱光伏支架結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structural diagram of dual-pillar PV support

1 光伏支架的結(jié)構(gòu)形式

在立柱光伏支架的結(jié)構(gòu)中，通常以光伏組件的排列方式來確定東西向立柱之間的間距，在控制檁條撓度的基礎(chǔ)上，計(jì)算東西向立柱的最優(yōu)跨距[3]。本研究中，設(shè)置單立柱光伏支架中相鄰2個(gè)立柱的東西向間距為3200 mm，雙立柱光伏支架中2個(gè)立柱的南北向間距為2000 mm、東西向間距為3200 mm，光伏組件的最低點(diǎn)離地高度為1500 mm，具體如圖3、圖4所示。

圖3 單立柱光伏支架結(jié)構(gòu)的截面圖Fig. 3 Sectional view of single-pillar PV support structure

圖4 雙立柱光伏支架結(jié)構(gòu)的截面圖Fig. 4 Sectional view of dual-pillar PV support structure

由于光伏支架中受力構(gòu)件的截面高度和截面厚度對(duì)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響較大[4]，因此，可通過計(jì)算確定光伏支架中檁條、斜梁、斜撐(前、后支撐)和前、后立柱(豎向支撐)的截面尺寸。單立柱和雙立柱光伏支架中主要受力構(gòu)件的截面尺寸和材質(zhì)情況分別如表1、表2所示。

結(jié)合表1、表2中的數(shù)據(jù)可知，單立柱光伏支架的鋼用量比雙立柱光伏支架的節(jié)省了1.3%。

表1 單立柱光伏支架主要受力構(gòu)件的截面尺寸及材質(zhì)情況Table 1 Sectional size and material of main stressed parts of single-pillar PV support

表2 雙立柱光伏支架主要受力構(gòu)件的截面尺寸及材質(zhì)情況Table 2 Sectional size and material of main stressed parts of dual-pillar PV support

2 光伏支架的荷載組合

以貴州省某山地光伏電站為例，對(duì)其光伏支架所受荷載情況進(jìn)行分析。該光伏電站的基本情況為：光伏組串中光伏組件的布置方式為豎向布置，布置形式為“2×14”；單塊光伏組件的尺寸為1665 mm×1002 mm，重量為22.5 kg。

2.1 風(fēng)荷載計(jì)算

由于安裝在光伏支架上的光伏組件的受力面積較大，因此在光伏支架所承受的外荷載中，風(fēng)荷載起控制作用[5]。在風(fēng)荷載作用下，光伏組件坡面受力分為順風(fēng)情況下的壓力和逆風(fēng)情況下的吸力。順風(fēng)情況下，需要注意光伏支架構(gòu)件的強(qiáng)度和變形；逆風(fēng)情況下，光伏支架的基礎(chǔ)需要滿足抗傾覆要求[6]。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]中表E.5，該光伏電站所在地的基本風(fēng)壓w0為0.3 kPa。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk的計(jì)算式為：

式中：βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，取1.0；μz為高度z處的風(fēng)壓變化系數(shù)，取1.0；μs為風(fēng)荷載體形系數(shù)，根據(jù)GB 50009—2012中表8.3.1 關(guān)于次結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)，處于迎風(fēng)面時(shí)光伏組件坡面表現(xiàn)為壓力，此時(shí)上端體形系數(shù)μs上為0.5，下端體形系數(shù)μs下為1.3；處于背風(fēng)面時(shí)光伏組件坡面表現(xiàn)為吸力，此時(shí)上端體形系數(shù)μs上為-0.5，下端體形系數(shù)μs下為-1.3。

由于本光伏電站位于山區(qū)，根據(jù)GB 50009—2012中第8.2.2條的規(guī)定，還需對(duì)地形條件進(jìn)行修正，修正系數(shù)η可表示為：

式中：tanα為山峰在迎風(fēng)面一側(cè)的坡度，根據(jù)施工現(xiàn)場的地勢(shì)，取0.3；k為地形系數(shù)，取1.4；h為建筑物計(jì)算位置離建筑物地面的高度，取2.5 m；H為山坡全高，取20 m。

將相關(guān)數(shù)值代入式(2)，可得到η=1.4，則修正后的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk′可表示為：

將相關(guān)數(shù)值代入式(3)，可得到風(fēng)壓力作用下光伏組件坡面上端承受的修正后的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w′k上為0.21 kPa；光伏組件坡面下端承受的修正后的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w′k下為0.55 kPa。風(fēng)吸力作用下，光伏組件坡面上端承受的修正后的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w′k上為-0.21 kPa；光伏組件坡面下端承受的修正后的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w′k下為-0.55 kPa。

由于檁條與光伏組件采用螺栓連接，因此檁條與光伏組件接觸處的受力形式為點(diǎn)荷載。光伏組件的長l為1.665 m、寬b為1.002 m，在風(fēng)力作用下，檁條與光伏組件接觸處的點(diǎn)荷載F可表示為：

根據(jù)式(4)可得，風(fēng)壓力作用下，檁條與光伏組件坡面上端、下端接觸處的點(diǎn)荷載F上、F下分別為88 N和229 N；風(fēng)吸力作用下，檁條與光伏組件坡面上端、下端接觸處的點(diǎn)荷載F上、F下分別為-88 N和-229 N。

2.2 雪荷載計(jì)算

根據(jù)GB 50009—2012中附錄E.5，可得到本光伏電站所在地的基本雪壓s0為0.3 kN/m2，則光伏支架所受雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)值sk可表示為：

式中：μr為屋面積雪分布系數(shù)，取1.0。

通過式(5)可得，sk=0.3 kN/m2。

2.3 其他荷載

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中的“對(duì)于地面用光伏組件的支架，當(dāng)設(shè)防烈度小于8度時(shí)，可以不進(jìn)行抗震驗(yàn)算”，本研究中的荷載未考慮地震作用產(chǎn)生的影響。

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中第8.1.5條對(duì)溫度區(qū)段長度做了明確規(guī)定，即當(dāng)露天結(jié)構(gòu)縱向溫度區(qū)段小于120 m時(shí)，可以不考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響。本研究中光伏支架的檁條和主梁長度均小于該值，因此可以不考慮溫度對(duì)光伏支架結(jié)構(gòu)的影響。

3 光伏支架的受力分析

將上述荷載按照GB 50797—2012中6.8.7條進(jìn)行組合，采用SAP2000軟件仿真分析不同工況下單立柱和雙立柱光伏支架的基礎(chǔ)受力及檁條撓度情況。

本光伏電站中光伏組件的最佳安裝傾角為15°，因此在建模過程中將檁條繞自身截面縱軸旋轉(zhuǎn)15°與光伏組件安裝傾角相平行，使檁條的受力模型更為合理。光伏支架上施加的外荷載為點(diǎn)荷載，根據(jù)所采用的光伏組件布置方式，光伏支架所受外荷載主要是通過組件與檁條的連接點(diǎn)傳遞的，經(jīng)斜梁傳遞給立柱，最終傳遞給光伏支架基礎(chǔ)。

3.1 樁基礎(chǔ)受力

該光伏電站的光伏支架基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，在相同工況下，提取了仿真模型中單立柱和雙立柱光伏支架基礎(chǔ)頂部所受的上拔力，具體如圖5所示。

圖5 單立柱和雙立柱光伏支架樁基礎(chǔ)頂部所受的 上拔力的柱狀圖Fig. 5 Histogram of pull-up force on top of pile foundation of single-pillar and dual-pillar PV support

由圖5可知，單立柱光伏支架基礎(chǔ)頂部所受的最大上拔力約為雙立柱光伏支架基礎(chǔ)頂部所受的2倍。這對(duì)單立柱光伏支架基礎(chǔ)及基礎(chǔ)與支架連接處的材料提出了更高的強(qiáng)度要求。

3.2 檁條撓度

根據(jù)GB 50797—2012中第6.8.8條，計(jì)算得到檁條撓度的容許值為L/250=12.8 mm，其中L為檁條的跨度(即立柱的東西向間距)，取3200 mm。通過模擬軟件計(jì)算了圖1、圖2所示的單立柱和雙立柱光伏支架中每個(gè)跨度下檁條的撓度值，計(jì)算結(jié)果均在容許范圍內(nèi)，符合規(guī)范的要求。不同軸線上的檁條的撓度值如圖6～圖9所示。圖中撓度值的負(fù)號(hào)代表下?lián)蠒r(shí)的撓度值，正號(hào)代表上拱時(shí)的撓度值。

圖6 A軸線上的檁條的撓度值Fig. 6 Deflection value of purlin on axis A

圖7 B軸線上的檁條的撓度值Fig. 7 Deflection value of purlin on axis B

圖8 C軸線上的檁條的撓度值Fig. 8 Deflection value of purlin on axis C

圖9 D軸線上的檁條的撓度值Fig. 9 Deflection value of purlin on axis D

由圖6～圖9可知：1)雙立柱光伏支架中檁條的最大撓度值比單立柱光伏支架的大；2)沿同一條軸線布置的檁條中，雙立柱光伏支架中相鄰兩跨檁條的撓度值相差較大；3)單立柱和雙立柱光伏架中檁條撓度最大值分別出現(xiàn)在沿D軸線和B軸線布置的檁條中。

4 結(jié)論

本文在相同工況下，采用SPA2000軟件對(duì)某山地光伏電站中單、雙立柱光伏支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究，在鋼用量、樁基礎(chǔ)受力和檁條撓度值這3個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，具體結(jié)果如下：

1)單立柱光伏支架的鋼用量比雙立柱光伏支架的節(jié)省了1.3%。

2)單立柱光伏支架基礎(chǔ)頂部所受最大上拔力約為雙立柱光伏支架基礎(chǔ)所受最大上拔力的2倍。

3)同一條軸線上，雙立柱和單立柱光伏支架中檁條的撓度最大值出現(xiàn)的部位不同，前者的檁條的撓度最大值出現(xiàn)在倒數(shù)第2排檁條中，而后者的則出現(xiàn)在第1排檁條中。

4)施工時(shí)，單立柱光伏支架的樁基礎(chǔ)的定位放線精度控制相對(duì)簡單，且場平工程量較??；但對(duì)于土質(zhì)較硬的地區(qū)而言，單立柱光伏支架的樁基礎(chǔ)深度較深，成孔阻力會(huì)隨之增大，因此若在這些地區(qū)采用雙立柱光伏支架樁基礎(chǔ)，施工速度會(huì)相對(duì)較快。