連秀云，董曉凱

(北京七星華電科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100015)

0 引言

隨著能源轉(zhuǎn)型的日益推進(jìn)，光伏發(fā)電作為一種重要的清潔能源生產(chǎn)方式日益受到重視，光伏電站的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，光伏發(fā)電的應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越多。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)其安全高效運(yùn)行存在重要作用。本文以北京市某自來(lái)水廠清水池上部的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)用于此項(xiàng)目的固定式光伏支架所受荷載進(jìn)行了計(jì)算分析，利用有限元軟件3D3S對(duì)該光伏支架的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，以便于為此類分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的固定式光伏支架結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供思路和方法。

1 項(xiàng)目概述

本研究中自來(lái)水廠的清水池全部埋于地下，分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目是在清水池上部區(qū)域建設(shè)。為了減少光伏陣列的安裝對(duì)清水池原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，在清除清水池上部的部分覆土后，安裝薄板型混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)，以便增大基礎(chǔ)與清水池上部區(qū)域的作用面積，從而減少集中荷載[1]。

該項(xiàng)目采用的光伏組件的尺寸為1650 mm×991 mm×40 mm，采用豎向布置的方式，以2行10列的形式放置于1個(gè)光伏支架上。光伏支架的傾角采用33°；光伏支架由立柱、主梁、次梁及斜撐組成，1個(gè)光伏支架包括4榀，立柱間距為3100 mm，支架兩端帶500 mm的懸挑，次梁總長(zhǎng)為10300 mm，主梁長(zhǎng)度為2700 mm。

圖1 光伏組件的排布方式Fig.1 Arrangement of PV modules

該項(xiàng)目中光伏支架的鋼結(jié)構(gòu)采用冷彎熱鍍鋅C型鋼，光伏支架結(jié)構(gòu)的平面圖及立面如圖2所示。

2 荷載計(jì)算

本分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目位于北京市，光伏支架結(jié)構(gòu)荷載按25年重現(xiàn)期計(jì)算，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取0.95。

2.1 光伏組件的均布荷載計(jì)算

單塊光伏組件的自重為20 kg，轉(zhuǎn)化為均布荷載為0.1 kN/m。

2.2 光伏組件的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算[2]

光伏支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為25年。根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的公式E.3.4，可計(jì)算得到重現(xiàn)期為R時(shí)光伏組件的年最大雪壓或年最大風(fēng)壓xR，即：

式中，x10、x100分別為10年和100年的雪壓值或風(fēng)壓值；R為重現(xiàn)期，年，本文取25。

利用式(1)可計(jì)算得到按25年重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，光伏組件的最大風(fēng)壓w0=0.38 kN/m2，最大雪壓s0=0.33 kN/m2。

當(dāng)風(fēng)荷載垂直于光伏組件表面時(shí)，可分別求解光伏組件正面和背面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，其公式為：

式中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，本文取1.0；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，其中，光伏組件正面的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs1取-1.4，光伏組件背面的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs2取1.4；μz為高度z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，本文取1.0。

根據(jù)式(2)可計(jì)算得到，光伏組件正面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk1=-0.532 kN/m2，光伏組件背面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk2=0.532 kN/m2。

2.3 風(fēng)力作用下光伏支架的均布荷載計(jì)算

風(fēng)力作用下光伏支架的均布荷載F的計(jì)算式為：

式中，l為光伏組件的長(zhǎng)度，m，本文取1.65。

根據(jù)式(3)可計(jì)算得到，在風(fēng)吸力作用下，wk1為-0.532 kN/m2時(shí)光伏支架的均布荷載F1=-0.44 kN/m；在風(fēng)壓力作用下，wk2為0.532 kN/m2時(shí)光伏支架的均布荷載F2=0.44 kN/m。

2.4 光伏支架的雪荷載計(jì)算

本項(xiàng)目中的積雪分布系數(shù)按照單坡單跨屋面來(lái)取值，根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，可得到光伏支架傾角為33°時(shí)光伏陣列的積雪分布系數(shù)μr取0.76，則雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值S可表示為：

根據(jù)式(4)計(jì)算可得到，S=0.251 kN/m2。將該值簡(jiǎn)化為光伏支架次梁上的均布荷載S1，其計(jì)算式為：

根據(jù)式(5)可計(jì)算得到，S1=0.21 kN/m。

2.5 光伏支架的荷載組合

根據(jù)GB 50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，光伏支架計(jì)算過(guò)程中主要考慮以下荷載組合：

1)1.30恒載+1.50風(fēng)壓力；

2)1.30恒載+1.50風(fēng)吸力；

3)1.30恒載+1.50雪荷載；

4)1.30恒載+1.50×0.60風(fēng)壓力+1.50雪荷載；

5)1.30恒載+1.50×0.60風(fēng)吸力+1.50雪荷載；

6)1.30恒載+1.50風(fēng)壓力+1.50×0.70雪荷載；

7)1.30恒載+1.50風(fēng)吸力+1.50×0.70雪荷載；

8)1.00恒載 + 1.50風(fēng)壓力；

9)1.00恒載+ 1.50風(fēng)吸力。

3 建模分析

利用有限元軟件3D3S對(duì)光伏支架進(jìn)行建模分析。光伏支架采用的冷彎熱鍍鋅C型鋼的材質(zhì)為Q235B，其中，光伏支架中主、次梁的規(guī)格均為62 mm×41 mm×2.5 mm；前、后立柱的規(guī)格均為φ60 mm×3 mm的鋼管；斜支撐的規(guī)格為40 mm×4 mm的等邊角鋼。光伏支架模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 光伏支架模型簡(jiǎn)圖Fig.3 PV bracket model sketch

以風(fēng)壓力為例，對(duì)光伏支架模型的單元、節(jié)點(diǎn)施加相應(yīng)的荷載并建模。在建模過(guò)程中需要注意的是：柱腳節(jié)點(diǎn)固接，立柱上端和斜撐兩端需進(jìn)行單元釋放。風(fēng)壓力作用下光伏支架的受力模型如圖4所示。

圖4 風(fēng)壓力作用下光伏支架的受力模型Fig.4 Force model of PV bracket under wind pressure

在進(jìn)行光伏支架的受力計(jì)算時(shí)，應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算光伏支架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及連接強(qiáng)度，按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算光伏支架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形，這樣可得到最不利內(nèi)力。

光伏支架結(jié)構(gòu)的最大位移組合和強(qiáng)度應(yīng)力比如圖5、圖6所示。

圖5 光伏支架結(jié)構(gòu)的最大位移組合Fig.5 Maximum displacement combination of PV bracket structure

圖6 光伏支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力比Fig.6 Strength to stress ratio of PV bracket structure

根據(jù)光伏支架結(jié)構(gòu)的整體受力分析計(jì)算結(jié)果，按照GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，對(duì)光伏支架的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行驗(yàn)算。構(gòu)件中，主要承重構(gòu)件的受壓容許長(zhǎng)細(xì)比取180，而其他構(gòu)件、支撐的受壓容許長(zhǎng)細(xì)比取220；主要受拉構(gòu)件的容許長(zhǎng)細(xì)比取350；柱頂位移比取1/60；主梁的撓度取L/250，L為跨距；次梁的撓度取L/200。經(jīng)驗(yàn)算，本光伏支架所選用的材料參數(shù)可滿足其結(jié)構(gòu)要求。

4 光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

由于本分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的特殊性，為保證清水池原有結(jié)構(gòu)的安全性，本項(xiàng)目的光伏支架基礎(chǔ)優(yōu)先采用薄板型混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)。

以光伏支架中單榀的2個(gè)立柱為例進(jìn)行立柱的受力分析。根據(jù)受力分析結(jié)果，可得到立柱支座反力的最不利包絡(luò)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 立柱支座反力的最不利包絡(luò)數(shù)據(jù)Table 1 Most unfavorable envelope data of column bearing reaction force

光伏支架基礎(chǔ)上部附土?xí)r的填土重度可取20 kN/m3，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在基礎(chǔ)上部附土的前提下，選用長(zhǎng)度為2.2 m、高度為0.2 m、寬度為0.9 m的薄板型混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)可滿足光伏支架的受力要求。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元軟件3D3S，對(duì)建設(shè)于某自來(lái)水廠清水池上部的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目中采用的固定式光伏支架的結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)進(jìn)行了受力計(jì)算，得到的結(jié)果可為此后應(yīng)用于同類場(chǎng)景中的固定式光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的思路和參考，還可為后期進(jìn)行光伏支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方便。本研究結(jié)果也可為光伏發(fā)電項(xiàng)目與自來(lái)水廠廠區(qū)內(nèi)既有建筑相結(jié)合這一形式的廣泛推廣提供技術(shù)支持和保障。