宮宇飛 喬學 谷帥 羅曉群

摘要：為研究真實環(huán)境下光伏支架的力學性能，以烏海四道泉光伏電站為研究對象，采用足尺加載試驗和結構健康監(jiān)測方法考察固定可調式光伏支架在設計載荷下和正常使用中的受力特性。在光伏支架陣列中選取1個支架單元進行加載試驗，考察關鍵位置的撓度和應變，并與數值模型進行對比;在光伏陣列中選取不同位置的5個支架單元設置結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測光伏組件的風環(huán)境、表面風壓和關鍵構件的應變，并與數值模型進行對比。結果表明：光伏支架結構在設計載荷下和正常使用中的受力性能良好。

關鍵詞：光伏支架;足尺加載試驗;健康監(jiān)測

中圖分類號：TM615.2

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）01-0040-06

0 引 言

光伏支架是光伏發(fā)電面板的支承結構。國內的光伏支架結構形式主要有5種：固定式、固定可調式、平單軸跟蹤式、斜單軸跟蹤式和雙軸跟蹤式。[1]跟蹤式光伏支架雖然調整方式靈活，理論發(fā)電效率高，但初期投資、維護費用較高，損壞風險大。[2]固定可調式光伏支架結構簡單，可以在不同季節(jié)調整合適的傾角，發(fā)電效率較高，應用廣泛。[3-5]

隨著新能源光伏發(fā)電的發(fā)展，光伏支架的經濟性越來越得到重視，設計和研究更輕、更經濟、結構更合理的光伏支架成為必然趨勢。國內在參數優(yōu)化[6]和穩(wěn)定設計[7]等諸多方面對光伏支架進行結構設計研究;國外學者也從拓撲、截面、控制算法等[8-9]方面研究光伏支架的優(yōu)化問題。

光伏支架結構輕盈，風載荷起控制作用，因此有必要研究真實環(huán)境下的光伏支架力學性能。在內蒙古烏海市四道泉光伏電站，采用現場足尺加載試驗的方式驗證固定可調式光伏支架結構在設計載荷下的力學性能，同時結合結構健康監(jiān)測手段[10]，選取光伏陣列中典型位置布置結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測光伏支架陣列的實際力學性能。

1 工程概況

實測場地為烏海四道泉20 MW光伏發(fā)電站，場址位于內蒙古自治區(qū)烏海市巴音陶亥鎮(zhèn)境內。該試驗的研究對象為單個光伏支架單元，上覆10塊光伏組件，呈2×5排布，支架材料為Q235B結構鋼。支架結構主要由2根立柱、2根主梁和4根導軌構成，主梁與立柱之間用連接板相連，光伏組件用壓塊和螺栓固定在導軌上。施加在光伏組件表面的載荷傳力路徑為光伏組件→導軌→主梁→立柱。光伏支架結構和尺寸見圖1，構件尺寸見表1。

支架單元上的電池板尺寸為5 040 mm×3 300 mm，傾角為20°或55°。加載試驗在20°傾角下進行，考察結構在設計載荷下的力學性能;健康監(jiān)測在55°傾角下進行，監(jiān)測光伏支架所處風環(huán)境、表面風壓和關鍵構件應變等內容。

2 加載方法和裝置

2.1 加載方法

在光伏支架現場加載試驗中，載荷包括恒載荷、風載荷和雪載荷，采用沙袋堆載的方式模擬。風載荷垂直于板面，設置加載架吊掛沙袋以消除平行于板面方向的分量。加載架形式和實際加載情況分別見圖2和3。

2.2 載荷設計

2.2.1 恒載荷

在試驗支架上安裝光伏組件。

2.2.2 雪載荷

根據現行國家標準《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》（GB 50797—2012），雪載荷取當地25 a重現期的基本雪壓。[11]在試驗地區(qū)重現期25 a的情況下，基本雪壓為0.17 kN/m2，傾角20°時雪載荷分布因數為1[12]。

2.2.3 風載荷

在試驗地區(qū)重現期25 a的情況下，基本風壓為0.47 kN/m2。[6]板面傾角為20°時，下半段風載荷體型因數為1.35，上半段風載荷體型因數為0.55，風載荷高度因數取1.0，風振因數取1.0。

現場試驗加載模擬的載荷組合為1.2×恒載荷+1.4×0.6×雪載荷+1.4×風載荷。模擬雪載荷的沙袋質量為238 kg，模擬風載荷的沙袋質量為1 040 kg。

3 測點布置

3.1 試驗儀器布置

3.1.1 位移計布置

在主梁和導軌端部對稱布置位移計，測量主梁和導軌的撓度，梁上共布置4個位移計。在2根立柱中部布置2個正交的位移計，測量立柱的側移，立柱共布置4個位移計。位移計布置的位置和對應通道號見圖4。

3.1.2 應變片布置

在主梁靠近立柱的上、下表面對稱布置應變片，梁上共布置4個應變片。在立柱靠近柱腳的位置對稱布置應變片，立柱上共布置4個應變片。應變片布置的位置和對應通道號見圖5。

3.2 監(jiān)測設備布置

光伏陣列中測量支架單元的位置和編號見圖6。在陣列的東、南、西、北、中等5個方位各選取1個光伏支架單元（編號依次為23，27，25，26，24）布置監(jiān)測儀器。為供電方便，5個方位支架單元分別選在11號、9號、4號、15號和13號方陣的配電室附近。在5個支架處都布置風壓傳感器和應變計，風速、風向儀布置在13號配電室屋頂。

風壓傳感器布置在光伏板板面的正、反2面。每個支架單元布置4個，正、反各2個，共20個風壓測點，安裝傳感器并采集設備箱照片。各方陣的風壓傳感器及其安裝位置見圖7。

應變計安裝在光伏支架主梁的上、下表面和立柱的前、后表面，每個支架單元有4個應變計，共有20個應變測點。應變計和風速、風向儀在支架上的安裝位置見圖8。監(jiān)測設備及其主要技術參數分別見圖9和表2。

4 實測與分析討論

4.1 試驗與數值分析對比

光伏支架結構的數值模型載荷包括2組：一組施加規(guī)范規(guī)定的設計載荷;另一組施加沙袋堆載，板的下半部分施加載荷852 kg，上半部分施加載荷426 kg。2組載荷的位移和彎矩分別見圖10和11，數值模擬與試驗數值的對比分別見表3和4。數值模擬和試驗值的誤差均在10%以內。

4.2 監(jiān)測與數值模擬的分析對比

監(jiān)測時間為2017年11月21日至2018年1月15日。監(jiān)測期間站場的風速和風向變化見圖12：風速最小值為0.19 m/s，最大值為9.62 m/s;風向數據正北方向為0°，數值順時針增加，監(jiān)測時間內風向變化范圍為59.65°～292.51°。四道泉光伏電站所在的地區(qū)50 a重現期基本風壓為550 Pa，對應的風速為29.70 m/s，監(jiān)測時間內的最大風速僅為設計風速的1/3。

監(jiān)測期間5個光伏支架單元的風壓變化見圖13，最大風壓變化范圍約為-181～190 Pa。該地區(qū)50 a重現期的基本風壓為550 Pa。監(jiān)測時間內光伏組件表面的最大風壓小于設計風壓。

將應變計監(jiān)測數據轉換為應力，監(jiān)測期間應力變化范圍為-23.8～21.1 MPa，結構在安全許可范圍內，滿足結構安全要求。

建立55°傾角的光伏支架模型。在監(jiān)測期間，光伏支架結構承受的載荷主要是恒載荷和風載荷。計算模型上施加的風壓取監(jiān)測時間內的最大風壓189 Pa，風載荷體型因數取1.30。

取僅含有恒載荷和風載荷的組合：1.2×恒載荷+1.4×風壓載荷;1.2×恒載荷+1.4×風吸載荷。

傾角55°光伏支架的計算模型及載荷組合1和組合2的彎矩見圖14。主梁的最大彎矩出現在載荷組合1中，最大應力比為0.146，相應的應力值為34.3 MPa;立柱的最大彎矩出現在載荷組合2中，最大應力比為0.256，相應的應力值為60.6 MPa。當監(jiān)測期間風壓變化幅度為±189 Pa時，梁應力變化范圍在±34.3 MPa以內，立柱應力變化范圍在±60.6 MPa以內。

監(jiān)測期間風壓變化范圍為-181～190 Pa，梁應力變化范圍為-23.8～21.1 MPa，在±34.3 MPa以內，與數值模擬的推斷相符。

5 結 論

針對光伏支架結構的受力特點和實際性能，設計現場足尺加載試驗和結構健康監(jiān)測。將試驗和監(jiān)測結果與數值模擬結果進行對比驗證，得到如下結論：

（1）結構設計模型在測點處的位移和應變與現場加載的實測值相比，誤差均在10%以內，說明支架結構的受力特性與結構設計數值模型相符，采用此數值模型設計的光伏支架結構安全可靠。

（2）現場加載試驗實測值、沙袋堆載數值模型和設計模型在測點處的位移和應變誤差均在10%以內，說明試驗堆載方式可等效模擬加載方式，光伏支架結構和試驗方法與數值模型的受力特性一致。

（3）監(jiān)測期間的風速較小，結構所處的風環(huán)境是安全的;監(jiān)測期間風向變化較大，使各風壓監(jiān)測點和應力監(jiān)測點的數值出現正、負值變化;監(jiān)測期間光伏組件表面風壓值遠小于設計風壓，結構在安全范圍內。

（4）根據監(jiān)測和數值模擬的對比分析，監(jiān)測期間光伏支架構件應力的變化范圍與數值模擬相符，且結構各點實測應力遠小于設計限度，滿足結構安全要求。

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[12] 建筑結構載荷規(guī)范：GB 50009—2012[S].

（編輯 武曉英）