降低地面光伏電站的光伏組件支架成本探析

葉　筱

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院， 安徽　合肥　230601)

1　引言

隨著近年光伏的大力開(kāi)發(fā)，可利用建設(shè)光伏的土地越來(lái)越緊缺，光伏電站逐漸向?yàn)┩?、河堤、水面、山地等發(fā)展。2013～2015年安徽省內(nèi)地面光伏項(xiàng)目中，建設(shè)在河堤上光伏電站的數(shù)量占比逐年遞增。如何降低地面河堤光伏電站光伏組件支架成本成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2　現(xiàn)狀調(diào)查

光伏支架的上部結(jié)構(gòu)必須滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及剛度的要求[1]。光伏支架的上部結(jié)構(gòu)形式直接影響支架結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件受力狀態(tài)，最終決定各構(gòu)件的截面型號(hào)，各構(gòu)件的重量決定光伏支架的上部結(jié)構(gòu)重量。支架上部結(jié)構(gòu)的鋼材量為支架成本的重要組成部分[2]。

目前常見(jiàn)的支架結(jié)構(gòu)形式有：管樁結(jié)構(gòu)(如圖1)、鋼管柱結(jié)構(gòu)(如圖2、圖4)、灌注樁柱結(jié)構(gòu)(如圖3)等。

圖1　管樁單立柱結(jié)構(gòu)　　　　　圖2　鋼管柱雙立柱結(jié)構(gòu)

圖3　灌注樁雙立柱結(jié)構(gòu)　　　　　圖4　條形基礎(chǔ)雙立柱結(jié)構(gòu)

3　改進(jìn)方案

針對(duì)現(xiàn)階段支架成本過(guò)高的問(wèn)題[3]，筆者采用“分散支架承載力，單柱支架改為雙柱支架”的方案降低光伏支架的成本，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并通過(guò)midas有限元計(jì)算軟件對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行前后對(duì)比。

3.1　輸入計(jì)算荷載和組合

(1)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

①恒載D。組件板重19.5kg，夾角26°轉(zhuǎn)換為重力方向荷載：D=0.13kN/m2

②活載L。板面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.3kN/m2(對(duì)剛架)0.5kN/m2(對(duì)檁條)

③風(fēng)荷載W。按規(guī)范，計(jì)算直接承受風(fēng)壓的電池板考慮風(fēng)荷載體型系數(shù)1.3[4]。

最終確定的25年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:

wk=βgμsμzw0=1.0×1.3×0.28=0.48kN/m2

④雪荷載。雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：S=0.33kN/m2。

⑤抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05g。

(2)基本荷載組合

撓度控制：D+L;D+W正；D+W負(fù)；D+W正+0.7L;D+W負(fù)+0.7L。

強(qiáng)度控制：1.2D+1.4L；1.2D+1.4W正；1.2D+1.4W負(fù)；

1.2D+1.4W正+1.4×0.7L；1.2D+1.4W負(fù)+1.4×0.7L。

3.2　單柱鋼支架結(jié)構(gòu)分析

3.2.1單柱鋼支架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

對(duì)單立柱光伏支架進(jìn)行建模計(jì)算分析[5]，分別作出光伏支架正視圖(如圖5)，光伏支架布置圖(如圖6)，光伏支架側(cè)視圖(如圖7)，計(jì)算模型如下：

圖5　光伏支架正視圖

圖6　光伏支架布置圖　　　圖7　光伏支架側(cè)視圖

計(jì)算結(jié)果：節(jié)點(diǎn)反力—本工程風(fēng)荷載為控制荷載，取標(biāo)準(zhǔn)組合支座反力值，如圖8為光伏支架節(jié)點(diǎn)反力布置圖，圖9為光伏支架風(fēng)壓變形圖。

圖8　光伏支架節(jié)點(diǎn)反力布置圖　　圖9　光伏支架風(fēng)壓變形圖　　圖10　光伏支架風(fēng)吸變形圖

圖11　光伏支架鋼材應(yīng)力比折線圖　　　　　圖12　光伏支架結(jié)構(gòu)圖

如圖10為光伏支架風(fēng)吸變形圖的計(jì)算模型，圖11為光伏支架鋼材應(yīng)力比折線圖，由以上兩圖知，在風(fēng)荷載作用下柱頂水平位移最大值U1=10mm，1/210<1/60，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比均小于1，強(qiáng)度滿足要求。

計(jì)算后的光伏支架結(jié)構(gòu)圖如圖12，并統(tǒng)計(jì)工程量如表1。

表1　單柱光伏支架工程量

由上面的計(jì)算結(jié)果知，雖然單柱結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，但分析工程量數(shù)據(jù)知，用鋼量較大，因此改進(jìn)了單立柱的方案，并用MIDAS軟件繼續(xù)進(jìn)行建模分析。

3.3　改進(jìn)后的雙柱支架

對(duì)單立柱光伏支架改為雙立柱支架，分別作出改進(jìn)后的光伏支架正視圖(如圖13)，改進(jìn)后的光伏支架側(cè)視圖(如圖14)，改進(jìn)后的光伏支架布置圖(如圖15)，計(jì)算模型如下：

對(duì)單立柱光伏支架改為雙立柱支架，并對(duì)其進(jìn)行建模計(jì)算分析：

圖13　改進(jìn)后的光伏支架正視圖

圖14　改進(jìn)后的光伏支架側(cè)視圖 　　 　　　　圖15　改進(jìn)后的光伏支架布置圖

計(jì)算結(jié)果：

節(jié)點(diǎn)反力—本工程風(fēng)荷載為控制荷載，取標(biāo)準(zhǔn)組合支座反力值，圖16為改進(jìn)后的光伏支架節(jié)點(diǎn)反力布置圖，圖17為改進(jìn)后的光伏支架風(fēng)壓變形圖。

圖16　改進(jìn)后的光伏支架節(jié)點(diǎn)反力布置圖 　　　　　　圖17　改進(jìn)后的光伏支架風(fēng)壓變形圖

　圖18　改進(jìn)后的光伏支架風(fēng)吸變形圖　　　　　圖19　改進(jìn)后的光伏支架鋼材應(yīng)力比折線圖

如圖18為改進(jìn)后的光伏支架風(fēng)吸變形圖，圖19為改進(jìn)后的光伏支架鋼材應(yīng)力比折線圖，由以上兩圖知，在風(fēng)荷載作用下柱頂水平位移最大值U1=5mm，1/500<1/60，較實(shí)施對(duì)策前位移值降低。改進(jìn)后的光伏支架鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比均小于1，強(qiáng)度滿足。

改進(jìn)后的光伏支架結(jié)構(gòu)圖如圖20，并統(tǒng)計(jì)工程量如表2。

針對(duì)單支架進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖20，分別為：(1)前立柱；(2)主橫梁；(3)高立柱；(4)斜支撐；(5)柱間支撐；(6)檁條；(7)連接件。材料表中鋼材共計(jì)724kg。

由表1和表2的工程量對(duì)比知，方案實(shí)施前后，用鋼量顯著降低，該改進(jìn)方案有效。

圖20　改進(jìn)后的光伏支架結(jié)構(gòu)圖表2　改進(jìn)后的光伏支架上部工程量

編號(hào)名稱規(guī)格數(shù)量1前立柱?76×3.072主橫梁L75×50×673高立柱?76×3.074斜支撐L40×475柱間支撐?12圓鋼46檁條C100×50×20×3.04合計(jì)鋼材總重724kg

4　總結(jié)

針對(duì)河堤光伏電站，通過(guò)改進(jìn)光伏支架形式，使光伏支架從單柱改進(jìn)為雙柱，不僅降低了河堤光伏電站支架的成本，而且優(yōu)化了地面光伏電站支架的結(jié)構(gòu)，有效提高了電站的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

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