太陽能光伏柔性支架體系研究

劉興佳 崔國橋 于 愷 王碩禾

（1．河北鯤能電力工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050000；2．河北省分布式能源應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050000）

0 前言

隨著國家對環(huán)境問題的重視，以太陽能為代表的新能源項目日益增多。

我國太陽能資源豐富，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為開發(fā)利用綠色能源的重要組成部分[1]。由于以前的太陽能光伏發(fā)電支架不能適應(yīng)各種復雜的環(huán)境，而且造價較高。因此，研究一種造價更低、適應(yīng)性更好、受力更加合理的光伏支架迫在眉睫?；诖耍撐奶岢隽艘环N新型的太陽能光伏柔性支架，可有效地解決此問題。圖1 為某太陽能光伏百米跨越柔性支架整體效果圖。

圖1 太陽能光伏百米跨越柔性支架

1 我國太陽能資源

我國太陽能資源豐富，杜祥琬[3]將對我國的太陽能資源劃分為4 部分。1）最豐富帶，占國土面積17.4%，主要集中在西藏、新疆南部、甘肅和青海等地區(qū)。2）很豐富帶，占國土面積42.7%，主要集中在新疆大部、寧夏、云南、河北、內(nèi)蒙古東部和四川西部等地區(qū)。3）豐富帶，占國土面積36.3%，主要集中在浙江、湖南、湖北、廣西和臺灣等地區(qū)。4）一般帶，占國土面積3.6%，主要集中在四川中部、湖南西北部、貴州北部。豐富的太陽能資源為我國開發(fā)利用太陽能創(chuàng)造了有利條件，光伏發(fā)電是當今開發(fā)利用太陽能資源的最有效形式。

2 傳統(tǒng)太陽能光伏支架

隨著國家對太陽能光伏發(fā)電支持力度的加大，太陽能光伏發(fā)電越來越受到企業(yè)的青睞，安全、經(jīng)濟的光伏支撐系統(tǒng)是設(shè)計師關(guān)注的重點。圖2 為傳統(tǒng)光伏底部支撐系統(tǒng)。傳統(tǒng)光伏支架設(shè)計比較簡單，受力分析容易。雖然這種形式的支架仍然被采用，但是它有很多缺點，例如鋼材耗量大、占地面積大、造價高等。而且這種形式的支架不能適應(yīng)復雜的地形，因此太陽能光伏柔性支架取代傳統(tǒng)支架變的越來越普遍。

圖2 傳統(tǒng)太陽能光伏支架

3 柔性太陽能光伏支架

3.1 柔性支架介紹

太陽能光伏柔性支架即為在成排的鋼索上安裝光伏板，鋼索兩端由剛性支撐連接。同時為了減少兩端頂部支撐的彎矩，支撐兩端多采用外部張拉斜拉索或者內(nèi)部剛性斜支撐[4-5]。

索（鋼絞線）作為一種主要承重構(gòu)件，柔性大、質(zhì)量輕、剛度大。預應(yīng)力為其提供了足夠大的剛度。索結(jié)構(gòu)有如下特點。1）只能承受拉力，不能承受壓力。2）索的剛度主要來源于幾何剛度，主要由預應(yīng)力提供。3）繃緊狀態(tài)呈現(xiàn)線性特征，其余狀態(tài)呈非線性特征。4）索會產(chǎn)生應(yīng)力松弛和損失。

3.2 柔性支架的優(yōu)點

由于索主要受拉的特點，其材料強度可被充分發(fā)揮，柔性太陽能光伏支架成為設(shè)計師的首選。1）跨度大且跨度范圍靈活可調(diào)。2）土地空間利用率最大化。3）操作方式靈活，通風性能好，發(fā)電效率高。4）相比傳統(tǒng)光伏支架，柔性光伏支架抗裂性能好。5）用鋼材量少，承重小，造價低。6）場地基礎(chǔ)要求小，預裝性強，大大縮短了施工周期。

3.3 柔性支架適用范圍

太陽能柔性支架靈活可調(diào)、占地面積小的特點，使其具有廣泛的應(yīng)用范圍。灘涂、漁塘、污水廠、復雜山地、荒坡和水池等復雜地形都可利用，并且在國家大力倡導漁光互補（圖3）、農(nóng)光互補（圖4）的前提下，柔性光伏支架具有廣闊的應(yīng)用前景。表1 給出了各類光伏支架的應(yīng)用范圍。

3.4 柔性支架結(jié)構(gòu)體系

柔性光伏支架結(jié)構(gòu)體系分為2 個部分：柔性系統(tǒng)和支架系統(tǒng)。柔性系統(tǒng)由預應(yīng)力懸索、穩(wěn)定索、組件固定夾具、光伏組件等構(gòu)成；支架系統(tǒng)由基礎(chǔ)（包括獨立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)）、鋼立柱、鋼梁、支撐體系（包括斜拉索、斜支撐）等構(gòu)成（圖5）。

根據(jù)太陽能光伏支架受力特點，通常在兩側(cè)設(shè)置斜拉桿（索）和斜支撐。當光伏組件受到風荷載或者雪荷載作用時，拉索受力變形，鋼立柱抵抗豎直方向的力，斜拉索或者斜支撐抵抗水平方向的力[6]。圖6 和圖7 分別為設(shè)置斜拉索和斜支撐的柔性光伏支架結(jié)構(gòu)。

對于污水處理廠光伏電站，由于跨度比較大，通常在鋼立柱和中間支柱之間再設(shè)置鋼桁架，減小跨度，從而減小撓度。對于山坡復雜地形，通常順應(yīng)山體坡度設(shè)置斜拉索（鋼絞線），然后鋪設(shè)光伏組件，不僅利用了天然地勢條件，而且也達到美觀的效果[7]。

圖3 漁光互補

圖4 農(nóng)光互補

4 結(jié)語

圖5 柔性光伏支架系統(tǒng)分解

表1 太陽能光伏支架應(yīng)用范圍比較

圖6 斜拉索柔性光伏支架結(jié)構(gòu)

圖7 斜支撐柔性光伏支架結(jié)構(gòu)

太陽能光伏發(fā)電能有效的利用太陽能資源，對于結(jié)構(gòu)工程師而言，設(shè)計安全、經(jīng)濟的支撐系統(tǒng)是其考慮的重點。太陽能光伏柔性支架能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境和復雜的地形條件，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是柔性支架抗風方面存在諸多問題，是科研工作者需要重點關(guān)注的，也是設(shè)計人員所關(guān)心的。未來隨著更多科研力量的加入，太陽能光伏柔性支架也必將推動光伏產(chǎn)業(yè)向著安全、經(jīng)濟、耐久的方向發(fā)展。