一種固定式光伏發電支架系統優化及參數化設計

中電電氣(南京)太陽能研究院 ■ 張勇成 田介花 賈艷剛

一 引言

光伏系統的設計過程中，支架系統作為直接支撐光伏組件的核心結構，其成本在整個光伏系統中所占比重雖然不大，但對于系統的安全性卻至關重要。合理的支架結構布置能夠提升系統抗風、抗雪載的能力，合理運用支架系統在承載方面的特性，可進一步對其尺寸參數作優化，節約材料，為光伏系統進一步降低成本作出貢獻。

以均布荷載作用下光伏組件的變形均值為參數目標，通過對C型鋼光伏支架系統的分析模擬，可找出系統各連接點的優化值；以光伏組件的尺寸參數為基礎，應用三維軟件的參數化設計功能，按照各連接點之間的參數關系式，可快速建立完整的支架系統結構模型。

二 地面電站C型鋼支架介紹

C型鋼支架系統如圖1所示。以光伏組件豎向安裝為例，大規模光伏電站使用的光伏組件長邊尺寸在1.5m以上，組件在縱向排列宜取2塊，太多則導致最上排組件位置太高，不利于現場施工。

每排光伏組件下方布置有兩根支撐次梁，次梁將組件自重及外部荷載通過主梁傳遞至前后立柱，而立柱通過膨脹螺栓或預埋螺栓與混凝土基礎相連。

圖1 地面安裝C型鋼支架系統構成

三 光伏組件及主梁支撐點優化計算

在快裝型C型鋼支架系統中，每塊光伏組件在鋁合金邊框處由4個壓塊牢固約束于支撐次梁上。以圖2中的光伏組件為例，在Ansys中建立面構建的四分之一分析模型[1,2]，施加垂直光伏組件表面均布壓力2000Pa(基于線性模型的假設，荷載具體取值以分析模型不產生大變形即可，與IEC 61215對光伏組件的機械性能要求[3]無關)，得到圖3所示的變形結果。

圖2 光伏組件尺寸結構示意圖

圖3 光伏組件變形云圖及變形監測點分布

如圖3所示，光伏組件在鋁合金邊框的保護作用下，最大變形位置發生在模型中心點。為考察次梁間距的變化對光伏組件受力變形的影響，在分析模型上定義三個監測點(見圖3中1、2、3點)，結果如圖4所示。

圖4 光伏組件變形趨勢圖

由圖4可知，次梁間距值350mm時，光伏組件中心點(監測點3)及組件支撐邊中點(監測點2)變形量達最小，而光伏組件短邊中點(監測點1)變形量則相對較高；支撐梁間距值為850mm時，光伏組件全局變形均值達到最小。進一步對次梁間距為350mm、850mm兩種情況分析，得到光伏組件支撐邊邊框上的VonMises應力分布，如圖5所示。

圖5 光伏組件鋁合金邊框結合處應力分布

從圖5可看出，當光伏組件全局變形均值達到最小時，光伏組件在鋁合金邊框與玻璃結合處應力分布更加均衡，支撐位置應力集中的現象較小，這對于光伏組件整體穩定承受外部載荷有利，因此可將850mm作為最優的次梁支撐間距。

根據以上對光伏組件支撐情況的分析，考慮一定的結構安裝可靠度系數，可計算出任何尺寸光伏組件所對應的主梁長度尺寸，分析如圖6所示。

假設L1為1580mm，L3取值150mm，組件之間預留縫隙20mm，根據以上分析L2可取850mm，則主梁長度計算為：

L4=2×150+20+1580+850=2750mm

與光伏組件支撐點分析方法類似，根據對稱情況建立一半長度的主梁分析模型(圖7)，考慮相對剛性的光伏組件邊框將外部荷載經由次梁直接傳遞至主梁，通過監測主梁全局變形量確定間距L5的最優值，如圖8、圖9所示。

圖7 典型C型鋼主梁模型示意圖

圖8 主梁變形及變形監測點分布

圖9 主梁變形趨勢圖

由圖9可知，立柱支撐間距值為1500mm時，光伏組件全局變形均值達到絕對值最小，即L5為最優值。

以上分析得出，次梁及立柱間距優化值存在的前提條件為長寬比約為1.96(1580/808)含鋁合金邊框的常規光伏組件，對分析結果作線性歸一處理可得其他類似長寬比的光伏組件安裝尺寸的優化值：

次梁間距優化值：850/1580≈0.54，即次梁間距約為組件長邊尺寸的54%。

立柱間距優化值：1500/1580≈0.95，即前后立柱支撐點間距約為組件長邊尺寸的95%。

考慮到眾多光伏組件廠家的產品尺寸存在差異性，多數組件長寬比范圍大致在1.5～2之間，以上歸一的比例值可分別取0.6、1.0進行初步安裝估算。

四 支架系統參數化設計

光伏系統設計過程中，通常以組件串為單位進行結構設計，以光伏組件支撐邊長度參數為基本值。根據以上優化的安裝尺寸，在SolidWorks軟件中以方程式的形式對各參數建立關系[4]，并以系列零件設計表設計可視化設計界面，即可得到方便工程設計人員使用的參數化模型，見圖10。

圖10 SolidWorks參數化設計界面

五 結論

根據光伏組件及其支架系統在不同安裝連接位置情況下的力學分析，得出優化的安裝連接位置，再將優化設計值與光伏組件尺寸建立線性關系，使計算結果具備一定普遍應用的實際意義。在實際工程中，按此優化尺寸設計安裝的光伏系統在中電電氣景德鎮3.5MWp地面電站、高鐵南京南站6.98MW光伏屋頂等工程中已得到驗證，具有較高的安全度。

以組件串列為單位的參數化三維設計可為工程人員帶來很大便利，三維設計與二維工程圖之間建立關系后，可快速獲得個性化需求的設計方案圖紙，極大地節約了結構設計人員的時間。

[1]黃浩, 吳志學. 光伏組件變形對組件性能的影響研究[J]. 機械工程與自動化, 2011, 4:107－109.

[2]葉先磊, 史亞杰. ANSYS工程分析軟件應用實例[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003.

[3] IEC 61215: 2005, Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) modules-Design qualification and type approval[S].

[4]葉修梓, 陳超祥. SolidWorks高級教程：高級裝配[M]. 北京:機械工業出版社, 2007.

[5] (日)太陽光發電協會,劉樹民, 宏偉, (譯). 太陽能光伏發電系統的設計與施工[M]. 北京: 科學出版社, 2006.