摘 要：光伏發(fā)電技術(shù)是一種綠色可再生能源技術(shù)，基于太陽(yáng)輻射量與光伏組件結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建光伏板斜面太陽(yáng)輻射量計(jì)算模型，確定光伏組件最優(yōu)安裝傾角。利用CFD法對(duì)光伏組件受不同風(fēng)向角作用時(shí)風(fēng)荷載變化情況進(jìn)行分析，表明風(fēng)向角在90°～170°，光伏面板CPN值為負(fù)，此時(shí)光伏面板結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載影響將產(chǎn)生向上的抬動(dòng)變化；對(duì)光伏支架來(lái)說(shuō)，凈風(fēng)壓系數(shù)CPN值越大，其所受的應(yīng)力及變形也越大，以此提出統(tǒng)一可調(diào)式光伏支架零部件種類及數(shù)量、減少用鋼量以及支架構(gòu)件調(diào)節(jié)等措施，提高支架構(gòu)件加工生產(chǎn)的效率，同時(shí)便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。

關(guān)鍵詞：光伏組件；可調(diào)式支架；安裝傾角；風(fēng)荷載；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU 39 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

光伏發(fā)電是使用新型半導(dǎo)體復(fù)合物質(zhì)的光生伏特效應(yīng)，直接把太陽(yáng)光照射能轉(zhuǎn)換為電力。它是一種無(wú)污染、無(wú)噪聲、性能穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)且易于大規(guī)模制造的可再生能源技術(shù)[1]。對(duì)光伏電站而言，光伏組件與支架是制約光伏發(fā)電效率的重要因素，由于受風(fēng)荷載影響，采光傾角受影響較大，導(dǎo)致發(fā)電效率降低，同時(shí)，支架失穩(wěn)也容易使設(shè)備有損毀風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)光伏組件結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行分析，從而提出可調(diào)式光伏支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，可為光伏電站建設(shè)項(xiàng)目提供參考。

1 光伏組件結(jié)構(gòu)荷載分析

1.1 光伏組件最優(yōu)安裝傾角分析

光伏組件結(jié)構(gòu)所受荷載主要為風(fēng)荷載，風(fēng)速、風(fēng)向以及光伏組件安裝傾角是對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生較大影響的主要因素[2]。其中風(fēng)速、風(fēng)向?yàn)榉鞘芸匾蛩?，因此確定光伏組件的最優(yōu)安裝傾角，可為光伏組件結(jié)構(gòu)的荷載分析奠定基礎(chǔ)，光伏組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

決定光伏面板安裝角度的關(guān)鍵要素之一就是太陽(yáng)光照強(qiáng)度，根據(jù)太陽(yáng)光照強(qiáng)度及光伏模塊構(gòu)造特性，建立評(píng)估光伏板太陽(yáng)光照強(qiáng)度的計(jì)算模型。采用Klein等提出的基本理論及假設(shè)，光伏板表面的太陽(yáng)光照強(qiáng)度由3個(gè)主要成分構(gòu)成：來(lái)自太陽(yáng)直射的光照強(qiáng)度、大氣中光線折射產(chǎn)生的光照強(qiáng)度及地面對(duì)光線的反射造成的光照強(qiáng)度[3]，其計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：HT為當(dāng)光伏面板的斜面受到太陽(yáng)光照時(shí)，其承受的光能強(qiáng)度；HBT、HDT、HRT分別為直射光線、天際漫反射和地表折射回來(lái)的光能；Rb為斜面上的太陽(yáng)輻射能量與平面的比值；Hb為光伏模塊平面接收到的直射光強(qiáng)；Hd為平面上由天際產(chǎn)生的漫反射光強(qiáng)；α為光伏設(shè)備的安設(shè)角度；H為整個(gè)平面上所有太陽(yáng)輻射的總量。

同時(shí)，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，光伏組件的安裝傾角與組件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如公式（2）所示。

b·sinα=h-（h1+h2） " " " " " " " " " " " "（2）

式中：b為光伏面板斜面寬度；h為支架總高度；h1為支架基礎(chǔ)高度；h2為支架短肢高度。

聯(lián)立公式（1）和公式（2），得出光伏模塊按月計(jì)算太陽(yáng)光照強(qiáng)度的模型，如公式（3）所示。

（3）

式中：j為月份。

通過(guò)調(diào)查敦煌市光電產(chǎn)業(yè)園10萬(wàn)千瓦光伏電站建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地光照氣象資源可知，項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于甘肅省酒泉市敦煌市境內(nèi)，當(dāng)?shù)?月—9月光照充裕，10月至次年3月光照一般。為了保證每月太陽(yáng)輻射量達(dá)到最大，通過(guò)計(jì)算得到從4月至9月、10月至次年3月的平均最佳安裝角度和組件斜面最大光照量，見(jiàn)表1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，在各自時(shí)間段內(nèi)，光伏組件的最優(yōu)安裝角度分別為22°和58°。

1.2 不同風(fēng)向角時(shí)光伏組件風(fēng)荷載變化分析

當(dāng)光伏組件受風(fēng)荷載作用時(shí)，不同風(fēng)向角對(duì)流場(chǎng)的變化影響較大。利用CFD法對(duì)光伏組件受到風(fēng)向角為0°～180°時(shí)的表面壓力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)結(jié)果以風(fēng)壓系數(shù)為指標(biāo)從而分析所受風(fēng)荷載的變化情況。風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

（4）

式中：Cp為無(wú)量綱的風(fēng)壓系數(shù)；P為光伏組件壁面壓力；Ph為壓力；ρ為空氣密度；為平均風(fēng)速。

根據(jù)光伏組件所受風(fēng)荷載的實(shí)際情況，上壁面所受為正壓，定義風(fēng)壓系數(shù)為正，下壁面所受為負(fù)壓，定義風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)，此時(shí)光伏組件所受的凈風(fēng)壓系數(shù)的計(jì)算過(guò)程如公式（5）所示。

CPN=CPT-CPB " " " " " " " " " " " " （5）

式中：CPN為光伏組件所受的凈風(fēng)壓系數(shù)；CPT為上壁面的風(fēng)壓系數(shù)；CPB為下壁面的風(fēng)壓系數(shù)。

將公式（4）代入公式（5），光伏組件的凈風(fēng)壓系數(shù)表達(dá)式如公式（6）所示。

（6）

式中：PT、PB分別為光伏面板上壁面、下壁面所受壓力；FN為光伏組件受到的凈壓力。不同風(fēng)向角時(shí)光伏組件的凈風(fēng)壓系數(shù)變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)風(fēng)向角為0°～140°時(shí)，隨著角度增加，光伏面板受風(fēng)面積逐漸縮小，凈風(fēng)壓系數(shù)CPN整體降低。其中，當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，凈風(fēng)壓系數(shù)約為0。當(dāng)風(fēng)向角為90°～170°時(shí)，光伏面板的凈風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明光伏面板結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載影響將產(chǎn)生向上的抬動(dòng)變化。因此，對(duì)光伏支架結(jié)構(gòu)受力分析及施工過(guò)程中的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)向角為90°～170°的工況。

1.3 光伏支架受力及變形分析

通過(guò)有限元數(shù)值模擬，采用MIDAS建立光伏支架有限元模型，對(duì)支架在不同風(fēng)向角工況下的受力及變形情況進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

通過(guò)有限元模型分析，支架應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。以風(fēng)向角90°為例，光伏支架受力云圖如圖4所示。

由圖4及表2可知，當(dāng)風(fēng)向角為90°和170°時(shí)，光伏支架應(yīng)力相對(duì)較小，風(fēng)向角為140°時(shí)應(yīng)力最大，最大值為6.49MPa，但整體均處于較低水平。最大變形值為1.6mm，對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角為140°。由此可以看出，當(dāng)光伏支架所受凈風(fēng)壓系數(shù)凈風(fēng)壓系數(shù)越大，其所受的應(yīng)力及變形也越大。

2 可調(diào)式支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及安裝施工

2.1 可調(diào)式支架研究的必要性

光伏電站的選址通常在地廣人稀的山地或平原，為了保證光伏陣列面與地形相協(xié)調(diào)，傳統(tǒng)光伏支架立柱通常會(huì)對(duì)每榀支架進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)澆筑的立柱基礎(chǔ)，按編號(hào)逐一測(cè)定其頂面標(biāo)高，其次，根據(jù)基礎(chǔ)標(biāo)高計(jì)算每榀支架立柱高度，最后，再由工廠按編號(hào)進(jìn)行加工。光伏陣列通常都是大面積布置，因此光伏支架數(shù)量非常多，同時(shí)施工場(chǎng)地地形復(fù)雜，如果支架立柱高度每榀單獨(dú)計(jì)算、設(shè)計(jì)、加工，就會(huì)增加施工周期以及工廠加工難度。

2.2 可調(diào)式支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

作為太陽(yáng)能電池陣列支持結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，光伏支架的性能通常會(huì)影響光伏系統(tǒng)的安全運(yùn)行效率和建設(shè)成本[4]。預(yù)期的可調(diào)式光伏支架單元，需要其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方式便于實(shí)現(xiàn)，調(diào)整支架的動(dòng)力裝置可重復(fù)使用、循環(huán)作業(yè)。能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和地理?xiàng)l件，由于建設(shè)場(chǎng)地為沙丘地貌，因此支架需要有防風(fēng)沙措施，保證不因風(fēng)沙影響而出現(xiàn)調(diào)節(jié)問(wèn)題。

零部件種類及數(shù)量：可調(diào)式光伏支架零部件（立柱、檁條、斜梁、斜撐、壓塊、連接件等）的數(shù)量和種類將會(huì)對(duì)其生產(chǎn)、安裝效率及施工成本產(chǎn)生重要影響。因此，支架除應(yīng)當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)連接構(gòu)件外，其他零部件應(yīng)盡量統(tǒng)一規(guī)格。通過(guò)優(yōu)化零部件，不僅便于工廠生產(chǎn)加工，提高加工效率，還可以節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間，提高安裝效率。

減少用鋼量：在支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)優(yōu)化節(jié)段的長(zhǎng)度，充分發(fā)揮構(gòu)件調(diào)節(jié)性能，使利用率最大化，從而在保障支架結(jié)構(gòu)的安全及保證可調(diào)性的情況下，減少支架用鋼量，益于施工成本控制[5]。

2.3 可調(diào)式支架安裝

可調(diào)式光伏支架表面應(yīng)平整，固定太陽(yáng)能板的支架面必須在同一平面，各組件并成一直線，傾角必須符合設(shè)計(jì)要求，必須擰緊構(gòu)件連接螺栓。

安裝工藝流程：清理基礎(chǔ)面和清理預(yù)埋件→測(cè)量基礎(chǔ)面標(biāo)高→支架開(kāi)箱開(kāi)包檢查→安裝立柱→立柱調(diào)整校正→安裝主梁→安裝橫梁→支架調(diào)平→組件開(kāi)箱檢查→安裝組件→拉條安裝→檢查所有螺栓的擰緊度，并作標(biāo)記。

復(fù)測(cè)預(yù)埋件無(wú)誤后，通過(guò)預(yù)埋定位螺栓固定立柱，連接時(shí)，用尼龍線拉通線進(jìn)行找齊調(diào)平，并用鉛錘調(diào)整立柱的垂直度。支架立柱安裝無(wú)誤后，安裝主梁及橫梁。推桿安裝工序較為關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙調(diào)整橫梁的傾角，橫梁傾角必須與設(shè)計(jì)一致，檢查傾角無(wú)誤后緊固螺栓。

3 結(jié)論

本文對(duì)光伏組件結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行分析，提出了可調(diào)式光伏支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，研究結(jié)果如下。1）基于太陽(yáng)輻射量與光伏組件結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建光伏面板斜面太陽(yáng)輻射量計(jì)算模型，根據(jù)模型計(jì)算在4月至9月，光伏組件最優(yōu)安裝傾角為22°；10月至次年3月，最優(yōu)安裝傾角為58°。2）當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，光伏組件CPN值約為0；當(dāng)風(fēng)向角在90°～170°時(shí)，其CPN值為負(fù)值，此時(shí)光伏面板結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載影響將向上抬動(dòng)。對(duì)光伏支架而言，凈風(fēng)壓系數(shù)CPN值越大，其所受的應(yīng)力及變形也越大。3）通過(guò)統(tǒng)一可調(diào)式光伏支架零部件種類及數(shù)量、減少用鋼量以及支架構(gòu)件調(diào)節(jié)等措施，實(shí)現(xiàn)工廠高效率加工生產(chǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，也益于施工成本控制。

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