周 穎

中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?，近年來，配合積極穩(wěn)定的政策扶持，光伏電站建設(shè)取得了巨大成就。在光伏電站設(shè)計(jì)中，支架設(shè)計(jì)是確保太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)安全性、使用性的關(guān)鍵。以某光伏電站為例，結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)、氣象條件等基本資料，通過有限單元計(jì)算分析，制定出經(jīng)濟(jì)合理的支架形式，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)。

引言

在眾多的可再生能源中，以太陽(yáng)光能的資源數(shù)量最豐富、分布范圍最廣泛，而且把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)已相當(dāng)成熟，適宜推廣普及。建立光伏電站具有建設(shè)周期短、投資回收期長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展勢(shì)頭迅猛。在光伏電站建設(shè)中，支架是確保光伏系統(tǒng)安全可靠，正常使用的基礎(chǔ)。本文總結(jié)了某光伏電站支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期為越來越多的光伏電站建設(shè)帶來幫助。

項(xiàng)目概況

某光伏電站擬建電場(chǎng)規(guī)模為50MW，場(chǎng)區(qū)面積為10.6km2，擬建場(chǎng)地地面海拔高程約在1690～1700m。

建筑場(chǎng)地劃分為對(duì)建筑抗震有利地段，不存在不良地質(zhì)作用。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.10s。根據(jù)調(diào)查，地下水位埋深較大，電場(chǎng)各建構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋深很淺，可不考慮地下水的影響。標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.40m。項(xiàng)目區(qū)最大風(fēng)速以28m/s。場(chǎng)地土類型主要為卵石，地基土主要物理力學(xué)參數(shù)見下表。

表1 地基土的主要物理力學(xué)參數(shù)

電池板每個(gè)組件1650mm×992 mm×40mm。采用固定式，支架傾斜角度33°。所有電池組件支架由立柱、斜梁、斜撐、檁條及連接部位的附件組成，立柱、斜梁、斜撐檁條為均為薄壁型鋼，連接螺栓以及螺母墊片等采用C級(jí)不銹鋼螺栓。所選用鋼結(jié)構(gòu)主材材質(zhì)不低于Q235B。

光伏支架設(shè)計(jì)

控制標(biāo)準(zhǔn)

變形控制標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值或在地震作用下支架的柱頂位移不應(yīng)大于柱高的1/60。

受彎構(gòu)件撓度容許值不應(yīng)超過表2 的規(guī)定。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

本工程設(shè)計(jì)年限為25年，支架采用冷彎薄壁型鋼，Q235B 型鋼材，結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017）等相關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)力取值為205kN/m2。

荷載及荷載組合

荷載

（1）恒載

光伏電池板自重為每個(gè)組件19.5kg，20 片組件一個(gè)陣列，電池板自重390×10=3.9KN

陣列自重=電池+邊框+接線盒=6KN（估算）

自重標(biāo)準(zhǔn)值取值0.2 kN/m2

（2）可變荷載

50年一遇，基本雪壓為0.2 kN/m2

雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.2×0.6=0.12 kN/m2

50年一遇，基本風(fēng)壓為0.35kN/m2

施工和檢修集中荷載根根光伏設(shè)計(jì)規(guī)范：取值1kN。

荷載組合

荷載組合主要考慮結(jié)構(gòu)恒載和可變荷載，其中風(fēng)荷載考慮兩種工況，如表3 所示。

表2 受彎構(gòu)件撓度容許值

表3 風(fēng)荷載工況

根據(jù)工程實(shí)際情況，荷載組合如下：

（1）1.20 恒載

（2）1.20 恒載+1.40 風(fēng)載工況1+1.0 雪壓

（3）1.20 恒載+1.40 風(fēng)載工況2+1.0 雪壓

（4）1.00 恒載+1.40 風(fēng)載工況1

圖1 計(jì)算模型圖

圖2 組合位移結(jié)果Uxyz（mm）

圖3 支架基礎(chǔ)尺寸圖

（5）1.00 恒載+1.40 風(fēng)載工況2

（6）1.35 恒載+1.40×0.60 風(fēng)載工況1

（7）1.35 恒載+1.40×0.60 風(fēng)載工況2。

內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型

利用有限元軟件建立三維空間模型。梁端和柱頂之間取為固結(jié)。柱底和基礎(chǔ)之間取固定端。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計(jì)算受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效凈截面計(jì)算穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計(jì)算構(gòu)件的變形和各種穩(wěn)定系數(shù)可按毛截面計(jì)算，計(jì)算模型見圖1。

計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過數(shù)值計(jì)算分析，在荷載組合工況2 時(shí)，支架產(chǎn)生最大內(nèi)力。最大內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表如表4 所示。

表4 最大內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表

強(qiáng)度和整體穩(wěn)定校核

強(qiáng)度校核時(shí)，前柱、后柱及斜撐主要通過最大應(yīng)力比、長(zhǎng)細(xì)比校核，主梁、次梁還應(yīng)對(duì)撓度進(jìn)行校核。容許長(zhǎng)細(xì)比[λ]取180，容許撓度對(duì)于主梁取1/250，次梁取1/200。最大組合位移結(jié)果如圖2 所示，對(duì)典型單元驗(yàn)算結(jié)果詳見表5。由計(jì)算可知，設(shè)計(jì)所選用的材料參數(shù)是滿足結(jié)構(gòu)安全要求的。

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，支架主要持力層為砂礫卵石層，為凍漲等級(jí)為Ⅰ級(jí)，凍漲類別為不凍漲?；A(chǔ)寬度不小于0.6m，基礎(chǔ)地面允許最大凍土深度為0.7m。

基礎(chǔ)埋深dmin=zd-hmax=1.4-0.7=0.7m，基礎(chǔ)埋深最終取值0.8m。

陣列下布置8 個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)，具體尺寸如圖3 所示。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

表5 典型單元驗(yàn)算結(jié)果表

防腐設(shè)計(jì)

所有鋼構(gòu)件、緊固件（除內(nèi)六角螺栓外）均應(yīng)熱鍍鋅防腐鍍鋅層厚度不小于75μm，內(nèi)六角螺栓外采用粉末滲鋅處理，處理厚度不小于30μm，防腐壽命不低于25年，熱浸鍍鋅滿足《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》GB/T13912-2002 中規(guī)定。鋁合金構(gòu)件采用陽(yáng)極氧化處理措施，陽(yáng)極氧化膜厚度不小于15μm。

結(jié)束語(yǔ)

光伏發(fā)電是目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)利用新能源和可再生能源的重要內(nèi)容，近年來，我國(guó)加大了對(duì)太陽(yáng)能光伏的推廣和應(yīng)用。在太陽(yáng)能光伏的應(yīng)用中，光伏組件支架設(shè)計(jì)是確保太陽(yáng)能光電組件安全性、使用性的關(guān)鍵。文中以某光伏項(xiàng)目為背景，詳細(xì)進(jìn)行了該光伏支架的設(shè)計(jì)。