中電電氣(南京)太陽能研究院 ■ 張勇成 田介花 賈艷剛

一 引言

光伏系統(tǒng)的設(shè)計過程中，支架系統(tǒng)作為直接支撐光伏組件的核心結(jié)構(gòu)，其成本在整個光伏系統(tǒng)中所占比重雖然不大，但對于系統(tǒng)的安全性卻至關(guān)重要。合理的支架結(jié)構(gòu)布置能夠提升系統(tǒng)抗風(fēng)、抗雪載的能力，合理運用支架系統(tǒng)在承載方面的特性，可進一步對其尺寸參數(shù)作優(yōu)化，節(jié)約材料，為光伏系統(tǒng)進一步降低成本作出貢獻。

以均布荷載作用下光伏組件的變形均值為參數(shù)目標，通過對C型鋼光伏支架系統(tǒng)的分析模擬，可找出系統(tǒng)各連接點的優(yōu)化值；以光伏組件的尺寸參數(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用三維軟件的參數(shù)化設(shè)計功能，按照各連接點之間的參數(shù)關(guān)系式，可快速建立完整的支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。

二 地面電站C型鋼支架介紹

C型鋼支架系統(tǒng)如圖1所示。以光伏組件豎向安裝為例，大規(guī)模光伏電站使用的光伏組件長邊尺寸在1.5m以上，組件在縱向排列宜取2塊，太多則導(dǎo)致最上排組件位置太高，不利于現(xiàn)場施工。

每排光伏組件下方布置有兩根支撐次梁，次梁將組件自重及外部荷載通過主梁傳遞至前后立柱，而立柱通過膨脹螺栓或預(yù)埋螺栓與混凝土基礎(chǔ)相連。

圖1 地面安裝C型鋼支架系統(tǒng)構(gòu)成

三 光伏組件及主梁支撐點優(yōu)化計算

在快裝型C型鋼支架系統(tǒng)中，每塊光伏組件在鋁合金邊框處由4個壓塊牢固約束于支撐次梁上。以圖2中的光伏組件為例，在Ansys中建立面構(gòu)建的四分之一分析模型[1,2]，施加垂直光伏組件表面均布壓力2000Pa(基于線性模型的假設(shè)，荷載具體取值以分析模型不產(chǎn)生大變形即可，與IEC 61215對光伏組件的機械性能要求[3]無關(guān))，得到圖3所示的變形結(jié)果。

圖2 光伏組件尺寸結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 光伏組件變形云圖及變形監(jiān)測點分布

如圖3所示，光伏組件在鋁合金邊框的保護作用下，最大變形位置發(fā)生在模型中心點。為考察次梁間距的變化對光伏組件受力變形的影響，在分析模型上定義三個監(jiān)測點(見圖3中1、2、3點)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 光伏組件變形趨勢圖

由圖4可知，次梁間距值350mm時，光伏組件中心點(監(jiān)測點3)及組件支撐邊中點(監(jiān)測點2)變形量達最小，而光伏組件短邊中點(監(jiān)測點1)變形量則相對較高；支撐梁間距值為850mm時，光伏組件全局變形均值達到最小。進一步對次梁間距為350mm、850mm兩種情況分析，得到光伏組件支撐邊邊框上的VonMises應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 光伏組件鋁合金邊框結(jié)合處應(yīng)力分布

從圖5可看出，當光伏組件全局變形均值達到最小時，光伏組件在鋁合金邊框與玻璃結(jié)合處應(yīng)力分布更加均衡，支撐位置應(yīng)力集中的現(xiàn)象較小，這對于光伏組件整體穩(wěn)定承受外部載荷有利，因此可將850mm作為最優(yōu)的次梁支撐間距。

根據(jù)以上對光伏組件支撐情況的分析，考慮一定的結(jié)構(gòu)安裝可靠度系數(shù)，可計算出任何尺寸光伏組件所對應(yīng)的主梁長度尺寸，分析如圖6所示。

假設(shè)L1為1580mm，L3取值150mm，組件之間預(yù)留縫隙20mm，根據(jù)以上分析L2可取850mm，則主梁長度計算為：

L4=2×150+20+1580+850=2750mm

與光伏組件支撐點分析方法類似，根據(jù)對稱情況建立一半長度的主梁分析模型(圖7)，考慮相對剛性的光伏組件邊框?qū)⑼獠亢奢d經(jīng)由次梁直接傳遞至主梁，通過監(jiān)測主梁全局變形量確定間距L5的最優(yōu)值，如圖8、圖9所示。

圖7 典型C型鋼主梁模型示意圖

圖8 主梁變形及變形監(jiān)測點分布

圖9 主梁變形趨勢圖

由圖9可知，立柱支撐間距值為1500mm時，光伏組件全局變形均值達到絕對值最小，即L5為最優(yōu)值。

以上分析得出，次梁及立柱間距優(yōu)化值存在的前提條件為長寬比約為1.96(1580/808)含鋁合金邊框的常規(guī)光伏組件，對分析結(jié)果作線性歸一處理可得其他類似長寬比的光伏組件安裝尺寸的優(yōu)化值：

次梁間距優(yōu)化值：850/1580≈0.54，即次梁間距約為組件長邊尺寸的54%。

立柱間距優(yōu)化值：1500/1580≈0.95，即前后立柱支撐點間距約為組件長邊尺寸的95%。

考慮到眾多光伏組件廠家的產(chǎn)品尺寸存在差異性，多數(shù)組件長寬比范圍大致在1.5～2之間，以上歸一的比例值可分別取0.6、1.0進行初步安裝估算。

四 支架系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計

光伏系統(tǒng)設(shè)計過程中，通常以組件串為單位進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以光伏組件支撐邊長度參數(shù)為基本值。根據(jù)以上優(yōu)化的安裝尺寸，在SolidWorks軟件中以方程式的形式對各參數(shù)建立關(guān)系[4]，并以系列零件設(shè)計表設(shè)計可視化設(shè)計界面，即可得到方便工程設(shè)計人員使用的參數(shù)化模型，見圖10。

圖10 SolidWorks參數(shù)化設(shè)計界面

五 結(jié)論

根據(jù)光伏組件及其支架系統(tǒng)在不同安裝連接位置情況下的力學(xué)分析，得出優(yōu)化的安裝連接位置，再將優(yōu)化設(shè)計值與光伏組件尺寸建立線性關(guān)系，使計算結(jié)果具備一定普遍應(yīng)用的實際意義。在實際工程中，按此優(yōu)化尺寸設(shè)計安裝的光伏系統(tǒng)在中電電氣景德鎮(zhèn)3.5MWp地面電站、高鐵南京南站6.98MW光伏屋頂?shù)裙こ讨幸训玫津炞C，具有較高的安全度。

以組件串列為單位的參數(shù)化三維設(shè)計可為工程人員帶來很大便利，三維設(shè)計與二維工程圖之間建立關(guān)系后，可快速獲得個性化需求的設(shè)計方案圖紙，極大地節(jié)約了結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的時間。

[1]黃浩, 吳志學(xué). 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.

[2]葉先磊, 史亞杰. ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實例[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003.

[3] IEC 61215: 2005, Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) modules-Design qualification and type approval[S].

[4]葉修梓, 陳超祥. SolidWorks高級教程：高級裝配[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007.

[5] (日)太陽光發(fā)電協(xié)會,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(xué)出版社, 2006.