王兵振，張?jiān)w

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

0 引言

南極的資源豐富，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)考察與研究、環(huán)境保護(hù)及資源利用等具有重大戰(zhàn)略意義。目前，中山站、長(zhǎng)城站等南極科考站仍利用柴油發(fā)電來解決科考站的供電、供熱問題，而這種方式在一定程度上影響了南極的生態(tài)環(huán)境。比利時(shí)、挪威、巴西等國(guó)均開展了利用太陽(yáng)能和風(fēng)能為科考站提供綠色能源的相關(guān)研究，并取得了較好的成效[1]。2011年以來，中國(guó)國(guó)內(nèi)相關(guān)單位也開展了應(yīng)用于南極中山站的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究工作，并進(jìn)行了初步試驗(yàn)[2]。

光伏支架作為光伏組件的支撐裝置，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。南極地區(qū)的自然條件惡劣，常年處于大風(fēng)、極寒狀態(tài)，這對(duì)應(yīng)用于此的光伏支架的設(shè)計(jì)提出了較高要求。本文結(jié)合南極中山站15 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，研究了低溫環(huán)境和光伏方陣間距對(duì)光伏方陣受風(fēng)荷載的影響，在此基礎(chǔ)上確定了整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列的布局方案；然后在光伏陣列布局設(shè)計(jì)和風(fēng)荷載分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了光伏支架的力學(xué)分析模型，研究了多種光伏支架鋼結(jié)構(gòu)和底座的技術(shù)方案，優(yōu)化了鋼結(jié)構(gòu)和底座的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

1 環(huán)境條件

南極的中山站為常年科考站，位于南極東部的普里茲灣拉斯曼丘陵(69°22′24′S，76°22′40′E)沿岸，一年四季需要不間斷供電、供熱。中山站常年處于高寒和大風(fēng)條件下，風(fēng)力和環(huán)境溫度對(duì)光伏支架的穩(wěn)定性具有重大影響，其中，風(fēng)荷載是光伏支架承受的主要荷載；而低溫會(huì)對(duì)支架金屬材料的韌性產(chǎn)生不利影響。

1989～2008年期間，中山站的年均溫度為-9.8℃，最低溫度達(dá)-40.4 ℃[3]。中山站所在地區(qū)每年11月～次年2月的氣溫相對(duì)較高，平均氣溫為-1 ℃，日最高氣溫可達(dá)到9 ℃；從3月開始?xì)鉁叵陆担?～9月的天氣寒冷，平均氣溫約為-15 ℃。

1989～2008年期間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，中山站的風(fēng)資源豐富，年均風(fēng)速達(dá)7.1 m/s，歷史最大風(fēng)速為50.3 m/s[4]。中山站的年均大風(fēng)日達(dá)到159天，其中冬季風(fēng)速較大，1月的平均風(fēng)速可達(dá)8.3 m/s；夏季風(fēng)速相對(duì)較小，6月的平均風(fēng)速約為5.3 m/s。

2 中山站光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

中山站15 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、匯流箱、蓄電池等組成。控制器的額定電壓為220 V、額定電流為150 A，對(duì)光伏組件進(jìn)行MPPT控制。光伏組件輸出的直流電經(jīng)過控制器的過充保護(hù)，將光伏電力輸送到蓄電池里進(jìn)行儲(chǔ)存，以便為科考站提供電力。

本光伏發(fā)電系統(tǒng)選用的光伏組件由60片單晶硅太陽(yáng)電池組成。光伏組件的性能參數(shù)如表1所示。

表1 光伏組件的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of PV modules

本光伏發(fā)電系統(tǒng)采用固定式光伏支架，光伏組件的最佳安裝傾角應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥冉咏?，并以太?yáng)輻射量較差的月份為測(cè)定時(shí)間[5]。綜合分析中山站的太陽(yáng)輻射量逐月分布情況和地理緯度后，光伏組件的最佳安裝傾角取64°。

每4塊光伏組件固定在1個(gè)光伏支架上，形成1個(gè)光伏方陣；每2個(gè)光伏方陣串聯(lián)成1個(gè)支路。整個(gè)光伏陣列包括12個(gè)光伏方陣，每2個(gè)光伏方陣為1排，共6排。

光伏陣列面向正北方向布置，布置時(shí)應(yīng)保證南北向相鄰2排光伏方陣之間互不遮擋[6]。南北向相鄰2排光伏方陣的最小間距D的計(jì)算式為：

式中，L為光伏方陣傾斜面的長(zhǎng)度，考慮到組件離地高度的因素，此處取2.5 m；β為光伏組件的傾角，此處為64°；αs為太陽(yáng)高度角，此處取16.5°。

將相關(guān)數(shù)值代入式(1)可得，南北向相鄰2排光伏方陣的最小間距為8.7 m，由于中山站處于高緯度地區(qū)，因此將南北向相鄰2排光伏方陣的間距設(shè)定為9.0 m。

3 光伏陣列的布局優(yōu)化

3.1 光伏方陣的結(jié)構(gòu)

光伏方陣的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，每個(gè)光伏方陣的光伏支架由3個(gè)支撐架、3個(gè)固定底座、2個(gè)橫梁組成。其中，支撐架與橫梁是光伏支架的主體部分；支撐架的前立柱通過法蘭與底座固定在一起；為便于調(diào)整，后立柱以鉸接的形式與斜梁和底座連接。

圖1 光伏方陣的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural diagram of PV array unit

3.2 東西向間距對(duì)光伏方陣受風(fēng)荷載的影響

3.2.1 東西向間距對(duì)光伏方陣受正向風(fēng)荷載的影響

由于光伏方陣自身的結(jié)構(gòu)較為緊湊，因此其在減小風(fēng)荷載方面的可優(yōu)化空間較??；并且南北向相鄰2排光伏方陣的間距已設(shè)定為9 m，出于節(jié)約土地的考慮，南北向相鄰光伏方陣間距的可優(yōu)化空間也相對(duì)較小。因而，適當(dāng)調(diào)整光伏陣列中東西向相鄰光伏方陣的間距Ls可在一定程度上減小風(fēng)荷載的影響。

利用流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法，分析2個(gè)東西向相鄰排列的光伏方陣在正向、反向2種風(fēng)向條件下，Ls分別為0.50、0.75、1.00、1.50、2.00和3.00 m時(shí)光伏方陣受風(fēng)荷載的情況。但考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取結(jié)構(gòu)的一半建立流體動(dòng)力學(xué)分析模型。圖2為2種風(fēng)向條件下Ls為0.75 m時(shí)光伏方陣受風(fēng)荷載的模型。

圖2 2種風(fēng)向條件下Ls為0.75 m時(shí)光伏方陣受風(fēng)荷載的模型Fig. 2 Wind load model of PV array unit with two wind directions and Ls is 0.75 m

對(duì)不同環(huán)境溫度和不同Ls時(shí)光伏方陣受風(fēng)荷載的影響進(jìn)行研究。低溫環(huán)境會(huì)引起空氣密度和空氣動(dòng)力粘度的變化[7]，在-40.4 ℃時(shí)，空氣密度為1.479 kg/m3，空氣的動(dòng)力粘度為1.522×10-5kg/(m·s)。利用CFD方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，模型的入口風(fēng)速設(shè)定為50.3 m/s，出口設(shè)置為壓力出口，Ls的取值分別為0.50、0.75、1.00、1.50、2.00和3.00 m。

在50.3 m/s風(fēng)速下，對(duì)環(huán)境溫度分別為25℃和-40.4℃、不同Ls時(shí)光伏方陣受正向風(fēng)荷載情況進(jìn)行分析，具體如圖3所示。圖中，F(xiàn)x為光伏方陣表面所承受風(fēng)荷載的水平方向的分力；Fy為光伏方陣表面所承受風(fēng)荷載的垂直方向的分力；F為光伏方陣表面所承受風(fēng)荷載的合力。

圖3 在50.3 m/s風(fēng)速下，不同環(huán)境溫度、不同Ls時(shí)光伏方陣受正向風(fēng)荷載的情況Fig. 3 Frontal wind load of PV array unit with different Ls and different ambient temperature under 50.3 m/s wind speed

正向風(fēng)在水平方向的荷載會(huì)對(duì)光伏方陣形成較大的傾覆力矩，破壞性較強(qiáng)。由圖3可知，在50.3 m/s的風(fēng)速作用下，光伏方陣承受了較大的風(fēng)荷載，水平方向最大風(fēng)荷載可達(dá)20435.2 N。當(dāng)Ls≤1.0 m時(shí)，光伏方陣所承受的正向風(fēng)荷載均較大；而當(dāng)Ls＞1.0 m時(shí)，光伏方陣所承受的正向水平方向風(fēng)荷載開始減小。與環(huán)境溫度為25℃時(shí)光伏方陣受正向風(fēng)荷載的情況相比，環(huán)境溫度為-40.4 ℃時(shí)光伏方陣受正向風(fēng)荷載明顯較大，且增大約25%。

3.2.2 東西向間距對(duì)光伏方陣受反向風(fēng)荷載的影響

在50.3 m/s風(fēng)速下，不同環(huán)境溫度、不同Ls時(shí)光伏方陣受反向風(fēng)荷載的情況如圖4所示。

圖4 在50.3 m/s風(fēng)速下，不同環(huán)境溫度、不同Ls時(shí)光伏方陣受反向風(fēng)荷載的情況Fig. 4 Reverse wind load of PV array unit with difterent Ls and different ambient temperature under 50.3 m/s wind speed

相比于正向風(fēng)荷載，在反向風(fēng)荷載下，風(fēng)在水平方向的荷載對(duì)光伏方陣形成了更大的傾覆力矩。由圖4可知，在50.3 m/s風(fēng)速作用下，光伏方陣承受的水平方向最大風(fēng)荷載可達(dá)22513 N。與正向風(fēng)荷載相同，當(dāng)Ls≤1.0 m時(shí)，光伏方陣承受的風(fēng)荷載較大；而當(dāng)Ls＞1.0 m時(shí)，光伏方陣所承受的風(fēng)荷載開始減小。與環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)光伏方陣受反向風(fēng)荷載情況相比，環(huán)境溫度為-40.4℃時(shí)光伏方陣所受的反向風(fēng)荷載明顯更大，增大約25%。

綜上所述可知，Ls對(duì)光伏方陣所承受的風(fēng)荷載有一定影響，應(yīng)保證Ls＞1.0 m，以盡量減小風(fēng)荷載的影響；但過大的距離會(huì)占用較多的土地，因此Ls取1.5 m為宜。

3.3 光伏陣列受風(fēng)荷載的情況

利用CFD方法對(duì)環(huán)境溫度為-40.4 ℃、風(fēng)速為50.3 m/s、D為9.0 m、Ls為1.5 m時(shí)光伏陣列受風(fēng)荷載的情況進(jìn)行研究。考慮到光伏陣列布局的對(duì)稱性，取陣列的一半建立計(jì)算模型。光伏陣列受正向風(fēng)荷載的模型如圖5所示。從風(fēng)入口處開始編號(hào)，光伏方陣的編號(hào)依次為1#～6#。

圖5 光伏陣列受正向風(fēng)荷載的模型Fig. 5 Frontal wind load model of PV array

環(huán)境溫度為-40.4 ℃、風(fēng)速為50.3 m/s、D為9.0 m、Ls為1.5 m時(shí)正向風(fēng)與反向風(fēng)作用下，各光伏方陣的受風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種風(fēng)向下各光伏方陣受風(fēng)荷載的情況Fig. 6 Wind load of PV array unit under two wind directions

由圖6可知，在極端風(fēng)速下，對(duì)于正向風(fēng)和反向風(fēng)2種情況，1#光伏方陣受風(fēng)荷載最大，2#光伏方陣受風(fēng)荷載最小。正向風(fēng)條件下，2#光伏方陣的Fx和Fy分別為1#光伏方陣的31.6%和32.2%；反向風(fēng)條件下，2#光伏方陣的Fx和Fy僅為1#光伏方陣的24.5%和24.2%。

在正向風(fēng)作用下，3#～6#光伏方陣所承受的Fx和Fy較為接近，且遠(yuǎn)低于1#光伏方陣對(duì)應(yīng)的Fx和Fy，其中3#～6#光伏方陣的Fx分別為1#光伏方陣Fx的38.3%、35.9%、38.3%和35.6%，F(xiàn)y分別為1#光伏方陣Fy的38.8%、36.5%、38.2%和35.7%；在反向風(fēng)作用下，3#～6#光伏方陣所承受的風(fēng)荷載隨著序號(hào)的增加而減小，3#光伏方陣的Fx和Fy分別為1#光伏方陣Fx和Fy的48.1%和47.9%，6#光伏方陣的Fx和Fy分別為1#光伏方陣Fx和Fy的30.6%和30.4%。

4 光伏支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

4.1 底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

當(dāng)固定式光伏支架的基礎(chǔ)形式采用小型的條形混凝土基礎(chǔ)形式時(shí)，每個(gè)光伏方陣的支架需要3個(gè)條形混凝土基礎(chǔ)。光伏支架及條形混凝土基礎(chǔ)的受力示意圖如圖7所示。圖中，G0為光伏支架及組件自身的重力；h為條形混凝土基礎(chǔ)的高度；L為條形混凝土基礎(chǔ)的長(zhǎng)度；Ly為風(fēng)荷載作用力點(diǎn)到條形混凝土基礎(chǔ)上表面的距離；Lx0為G0到條形混凝土基礎(chǔ)前端面的距離；Lx1為風(fēng)荷載作用力點(diǎn)到條形混凝土基礎(chǔ)前端面的距離；Lx2為風(fēng)荷載作用力點(diǎn)到條形混凝土基礎(chǔ)后端面的距離。

圖7 光伏支架及條形混凝土基礎(chǔ)的受力示意圖Fig. 7 Schematic diagram of force of PV support and strip concrete foundation

假定條形混凝土基礎(chǔ)的前、后邊緣到光伏支架前、后立柱地腳螺栓之間的距離相同，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況，可建立條形混凝土基礎(chǔ)質(zhì)量的計(jì)算式為：

式中，G為1個(gè)條形混凝土基礎(chǔ)的質(zhì)量，kg；g為重力加速度；G0在此處取2446.6 N

在50.3 m/s極端風(fēng)速的作用下，所需條形混凝土基礎(chǔ)最小質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。條形混凝土基礎(chǔ)的長(zhǎng)度L對(duì)基礎(chǔ)的最小質(zhì)量有較大影響。由圖8可知，隨著L的增大，滿足光伏方陣不傾覆要求所需的條形混凝土基礎(chǔ)的最小質(zhì)量明顯減小。

圖8 極端風(fēng)速下，所需條形混凝土基礎(chǔ)的最小質(zhì)量與長(zhǎng)度的關(guān)系Fig. 8 Relationship between minimum weight and length of strip concrete foundation required under extreme wind speed

設(shè)定條形混凝土基礎(chǔ)的寬度為400 mm，混凝土的密度為2400 kg/m3，則在50.3 m/s極端風(fēng)速作用下，條形混凝土基礎(chǔ)所需高度h的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 極端風(fēng)速下，所需條形混凝土基礎(chǔ)的高度與最小長(zhǎng)度的關(guān)系Fig. 9 Relationship between height and minimum length of strip concrete foundation required under extreme wind speed

從圖9可以看出，隨著h的增大，滿足光伏方陣不傾覆要求所需條形混凝土基礎(chǔ)的最小長(zhǎng)度在減小。

由于南極地區(qū)的淡水資源匱乏，施工條件簡(jiǎn)陋，對(duì)于混凝土形式的基礎(chǔ)，往往采取在國(guó)內(nèi)預(yù)制，然后再運(yùn)輸至科考站進(jìn)行安裝的施工策略。長(zhǎng)度相對(duì)較小的條形混凝土基礎(chǔ)有利于裝卸和運(yùn)輸。因此，最終選定條形混凝土基礎(chǔ)的長(zhǎng)度為2400 mm，對(duì)應(yīng)的條形混凝土基礎(chǔ)的高度為400 mm。

4.2 光伏支架主體結(jié)構(gòu)的受力分析

應(yīng)用于中山站的光伏支架的主體結(jié)構(gòu)材料需要選用低溫鋼。Q345E結(jié)構(gòu)鋼具有良好的低溫性能[8]，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，在-40℃條件下的沖擊功AKV不低于27 J。因此，支架的鋼結(jié)構(gòu)選用Q345E結(jié)構(gòu)鋼。利用有限元分析軟件，建立了在50.3 m/s極端風(fēng)速作用下光伏支架主體結(jié)構(gòu)的受力分析模型。光伏方陣單位面積所受風(fēng)荷載P的計(jì)算式為：

式中，γ為風(fēng)荷載體型系數(shù)[9]，取1.4；F為風(fēng)在光伏組件表面法線方向的荷載，N；S為光伏組件的面積，m2。

通過式(3)可計(jì)算得到，在正向風(fēng)荷載下，P為4313.1 N/m2；在反向風(fēng)荷載下，P為4792.2 N/m2。

為考察光伏支架在反向風(fēng)荷載下的應(yīng)力分布情況，設(shè)定光伏支架采用80 mm×40 mm×2.5mm的Q345E矩形鋼管，在風(fēng)速為50.3 m/s情況下光伏支架主體結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)力分布情況如圖10所示。為反映光伏支架主體結(jié)構(gòu)在50.3 m/s風(fēng)速下的真實(shí)受力情況，在計(jì)算時(shí)未考慮風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響。由圖10可知，支架中前立柱底部的應(yīng)力最大，而其他部分的受力遠(yuǎn)小于前立柱底部。

圖10 光伏支架主體結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)力分布情況Fig. 10 Combined stress distribution of main structure of PV support

目前市場(chǎng)上常用的光伏支架立柱的材料為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼或鋁合金，長(zhǎng)、寬尺寸一般為80 mm×40 mm或60 mm×40 mm。本項(xiàng)目選用規(guī)格尺寸與市場(chǎng)產(chǎn)品相近的Q345E矩形鋼管作為前立柱材料，矩形鋼管的備選規(guī)格如表2所示。

表2 前立柱矩形鋼管的備選規(guī)格Table 2 Alternative specification for front column rectangular steel pipe

在50.3 m/s極端風(fēng)速作用下且風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4時(shí)，不同規(guī)格的前立柱最大受力點(diǎn)的組合應(yīng)力情況如圖11所示。由于支架中前立柱底部的應(yīng)力最大，其規(guī)格的選取決定了支架立柱的規(guī)格選取。

圖11 極端風(fēng)速作用下，不同前立柱方案的最大受力點(diǎn)的組合應(yīng)力情況Fig. 11 Combined stress of maximum force point of different front column schemes uunder extreme wind speed

由圖11可知，方案1的最大受力點(diǎn)組合應(yīng)力明顯小于其他5種方案，安全系數(shù)(由Q345E矩形鋼管屈服極限值除以最大受力點(diǎn)組合應(yīng)力所得)約為2.9；方案2～方案4的最大受力點(diǎn)組合應(yīng)力非常接近，安全系數(shù)約為2.4；方案5和方案6的最大受力點(diǎn)組合應(yīng)力相對(duì)較大，安全系數(shù)分別為2.0和1.7。考慮到瞬時(shí)陣風(fēng)、暴風(fēng)雪等惡劣因素的影響，光伏支架的安全系數(shù)應(yīng)取較大值，同時(shí)在滿足強(qiáng)度的要求下應(yīng)采用重量較輕的材料。綜合上述2點(diǎn)因素，選擇方案2作為光伏支架立柱的規(guī)格。

5 結(jié)論

本文針對(duì)中山站光伏發(fā)電系統(tǒng)，研究了應(yīng)用于極端環(huán)境條件下的光伏支架，并確定了最終技術(shù)方案。研究結(jié)果表明：

1)極端環(huán)境條件下，空氣參數(shù)的變化對(duì)光伏方陣受風(fēng)荷載的影響較大。因此，在光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮中山站的環(huán)境溫度等因素。

2)中山站的光伏方陣南北向相鄰2排光伏方陣的間距達(dá)9 m，優(yōu)化東西向相鄰2個(gè)光伏方陣的間距對(duì)光伏方陣承受風(fēng)荷載有一定影響，但東西向相鄰2個(gè)光伏方陣的間距不應(yīng)低于1.0 m，迎風(fēng)的首排光伏方陣承受的風(fēng)荷載遠(yuǎn)大于后面的方陣。

3)增大光伏支架底座條形混凝土基礎(chǔ)的長(zhǎng)度有利于減輕基礎(chǔ)的質(zhì)量，在中山站地區(qū)，對(duì)于安裝4塊光伏組件的光伏方陣來說，條形混凝土基礎(chǔ)的尺寸可取2.4 m×0.4 m×0.4 m。支架前立柱的受力最大，選用Q345E材質(zhì)的規(guī)格為80 m×40 mm×2.0 mm的矩形鋼管材料能夠滿足工程要求。