王迎春,徐 翔

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

2020年9月22日，在第75屆聯(lián)合國大會(huì)期間，國家提出將加快形成綠色發(fā)展方式和生活方式，力爭二氧化碳排放在2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。與此同時(shí)，中國光伏行業(yè)傲立于世界之巔，創(chuàng)造了光伏制造業(yè)、發(fā)電裝機(jī)量、發(fā)電量“三項(xiàng)世界第一”?！笆奈濉敝?050年，風(fēng)電、光伏等非化石能源將加速從補(bǔ)充能源轉(zhuǎn)向替代能源，光伏行業(yè)將面臨更多發(fā)展機(jī)遇[1]。

光伏電站太陽能組件邊框多采用鋁合金制作，而組件支架大多采用熱浸鋅結(jié)構(gòu)鋼制作。鋼材熱浸鋅不利于環(huán)保，且支架加工倒運(yùn)周期長。6系表面陽極氧化鋁合金的強(qiáng)度與價(jià)格適中，易于熱擠壓成形，抗蝕與耐候性強(qiáng)，可回收利用率高，外觀美觀，輕質(zhì)便于施工，工業(yè)化程度高[2]，滿足“以鋁代鋼”的技術(shù)條件。

由于目前鋁合金支架成本較高，制約了其市場推廣。本文從光伏鋁合金支架選型、截面優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，以降本增效為目的，使光伏鋁合金支架具備市場競爭力。

1 鋁合金材料

橋梁和建筑行業(yè)常用鋁合金大致有5種，合金牌號分別為6063、6005、6061、6082和6013，采用熱處理可強(qiáng)化T6狀態(tài)，各牌號鋁合金強(qiáng)度依次增加，但焊接會(huì)降低其強(qiáng)度[3]。

根據(jù)GB/T 6892-2015《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》和GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的鋁合金材料的室溫力學(xué)性能[4-6]，建筑鋁合金材料力學(xué)性能指標(biāo)見表1(適用于壁厚不大于5 mm的空心型材)。其中6061-T6和6082-T6的力學(xué)性能接近Q235鋼。

表1 建筑鋁合金材料力學(xué)性能指標(biāo)表

鋁合金材料的物理性能指標(biāo)見表2。鋁合金密度和彈性模量約是鋼的1/3。

表2 鋁合金物理性能指標(biāo)表

應(yīng)根據(jù)支架安裝的使用條件和地理環(huán)境條件，確定鋁合金光伏支架的氧化膜厚度，一般不低于AA15的氧化膜。對沿海潮濕及大氣污染條件較惡劣的地區(qū)，一般選用AA20或AA25的氧化膜。

2 支架型式

本文光伏組件支架采用中心支撐結(jié)構(gòu)型式，外形如圖1(a)，該方案構(gòu)件形成平面桁架結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度大；立柱桿件節(jié)點(diǎn)均為鉸接，為軸心受力桿件；斜梁為壓彎構(gòu)件。

當(dāng)外形尺寸2094 mm×1038 mm(長×寬)光伏組件按2行豎向排布時(shí)，通過力學(xué)分析，建議支架斜梁懸挑長度控制在節(jié)點(diǎn)間距的0.1倍左右。當(dāng)組件4行橫向排布時(shí)，斜梁懸挑長度控制在節(jié)點(diǎn)間距的0.25倍左右。此時(shí)斜梁撓曲均勻，彎矩正負(fù)值接近，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)[7]。結(jié)構(gòu)變形圖分別見圖1(b)、1(c)。

圖1 支架型式圖

3 構(gòu)件截面

同等材料條件下，在提高抗彎剛度方面，將材料盡可能布置于遠(yuǎn)端，性能最好，提高截面高度比，增加寬度，節(jié)約材料效果更好。從強(qiáng)度計(jì)算角度，鋁合金彈性模量小，局部穩(wěn)定問題突出，充分利用薄壁板組屈曲后強(qiáng)度，可得到經(jīng)濟(jì)材料用量。

板件的屈曲后強(qiáng)度利用分為受剪屈曲后和受壓屈曲后。受剪利用拉力帶的概念，形成桁架受力機(jī)理，拉力帶傾角與加勁和翼緣面外剛度有關(guān)。受壓時(shí)屈曲部分逐步退出工作，承擔(dān)應(yīng)力減小，按照應(yīng)力等效原則，將該部分應(yīng)力等效形成有效截面概念計(jì)算承載力。

本文提出圖2的系列截面型式，兼顧了截面經(jīng)濟(jì)化要求和裝配便利性，同時(shí)閉口截面具有很高的抗扭能力。

圖2 支架構(gòu)件截面型式圖

GB/T 5237-2017《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]給出了受壓局部屈曲板件屈曲后強(qiáng)度計(jì)算方法，設(shè)計(jì)時(shí)選用的構(gòu)件截面按有效截面法進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核。

4 裝配連接

組件與檁條可參圖3(a)所示裝配，當(dāng)組件豎排時(shí)，邊框與檁條可直接螺栓連接；組件橫排時(shí)，利用圖示“π”型聯(lián)接件進(jìn)行連接。檁條與斜梁通過角型聯(lián)接件螺栓固定，如圖3(b)；立柱與斜梁通過 “H”型聯(lián)接件螺栓固定，如圖3(c)；柱腳采用“π”型聯(lián)接件與基礎(chǔ)固定，如圖3(d)。

圖3 支架裝配節(jié)點(diǎn)圖

鋁合金光伏支架的連緊固件應(yīng)盡量采用不銹鋼螺栓進(jìn)行緊固，也可采用經(jīng)熱浸鋅、電鍍鋅、鍍鋁或達(dá)克羅等表面處理后的鋼制螺栓。

5 節(jié)點(diǎn)分析

利用商業(yè)有限元ANSYS軟件對檁條安裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，保證構(gòu)件不發(fā)生局部破壞。計(jì)算模型采用靜態(tài)分析算法，使用實(shí)體單元。由于模型中存在大量的接觸對，在模型計(jì)算過程中極易出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況，本文對模型中部件間的相互作用進(jìn)行了簡化，并對接觸屬性做了適當(dāng)調(diào)整。

5.1 參數(shù)及邊界條件

(1)材料本構(gòu)關(guān)系使用Ramberg-Osgood模型，對熱處理合金，參數(shù)n取5，α取0.7，曲線接近雙折線。

(2)模型如圖5(a)、圖6(a)所示。對連接螺栓施加固定約束，在檁條或斜梁端部施加豎向位移模擬風(fēng)吸力作用下節(jié)點(diǎn)處的拉力作用，以得到節(jié)點(diǎn)的極限承載力。

5.2 模擬結(jié)果

從圖4(a)可見，當(dāng)外力增加到約14 kN時(shí)，螺栓與檁條接觸處局部擠壓位置進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)破壞。圖4(b)可見，當(dāng)外力約為10 kN時(shí)，螺栓與斜梁接觸處局部壓力出現(xiàn)反彎點(diǎn)，截面出現(xiàn)畸變，板組拉力場參與受力。常規(guī)外荷載條件下，光伏支架節(jié)點(diǎn)荷載均小于上述數(shù)值。

圖4 檁條與斜梁連接處力和位移曲線圖

在約14 kN外力作用下，從圖5(b)位移云圖可見螺栓連接部位由于擠壓板件有輕微壓屈，圖5(c)顯示除應(yīng)力集中處其它部位板件處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)整體的力與變形關(guān)系表現(xiàn)為彈性狀態(tài)。

圖5 檁條與斜梁連接部位檁條應(yīng)力及變形云圖 單位：位移，mm;應(yīng)力，MPa

在約10 kN外力作用下，從圖6(b)位移云圖可見螺栓連接部位存在輕微變形，圖6(c)顯示除應(yīng)力集中處其它板件處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)整體的力與變形關(guān)系表現(xiàn)為彈性狀態(tài)。

圖6 檁條與斜梁連接部位斜梁應(yīng)力及變形云圖 單位：位移，mm;應(yīng)力，MPa

6 經(jīng)濟(jì)性

依據(jù)本文思路研發(fā)了系列鋁合金支架，并與鍍鋅鋼支架進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。在基本風(fēng)壓0.5 kN/m2，基本雪壓0.25 kN/m2時(shí)，不同支架傾角對應(yīng)的鋁和鋼支架重量比，以及乘以鋁鋼價(jià)格比后的支架價(jià)格比如表3。2種支架價(jià)格基本持平，鋁合金支架具有參與市場競爭的能力，有助于推動(dòng)光伏行業(yè)綠色健康發(fā)展。當(dāng)鋁鋼價(jià)格比低于3.0時(shí)，鋁合金支架的價(jià)格將具有優(yōu)勢。

表3 光伏支架經(jīng)濟(jì)性對比表

7 結(jié) 語

本文基于常用建筑鋁型材，對固定式鋁合金光伏支架的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面、裝配方式和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了分析和研究，形成了自有的鋁型材截面庫，研發(fā)了不同風(fēng)壓和雪壓條件下的鋁合金光伏支架體系，其經(jīng)濟(jì)性與目前主流鍍鋅鋼支架基本持平，突破了限制其推廣的價(jià)格瓶頸。鑒于鋁合金支架全面的比較優(yōu)勢，將有助于其推廣應(yīng)用，促進(jìn)光伏發(fā)電行業(yè)更加綠色、高效發(fā)展。