固定式光伏支架設計

頡棟++顏魯薪

摘要：太陽能光伏組件發電與日照強度、日照時間以及電池板擺放位置和傾角有直接關系，針對天祝縣地理位置以及氣候條件，設計了一種適合天祝縣實際情況的光伏系統支架。本文對該光伏組件支架材質，選型，負荷分析進行詳細的分析和闡述，支架的結構牢固可靠，能承受自重，風荷載和其他外部效應。安全可靠的安裝，以最小的安裝成本達到最大的使用效果。

關鍵詞：太陽能發電 組件支架 支架設計 負荷分析

1 天祝縣地理位置及氣候條件

天祝藏族自治縣簡稱天祝縣，它地處甘肅省中部，是武威市的一個下轄縣，它是新中國成立后第一個實行民族自治政策的地區。天祝縣位于東經102°07′-103°46′，北緯36°31′-37°55′之間。其南北總長度為158.4公里，東西寬達142.6公里，總面積為7149平方公里，占甘肅總面積的1.54%。天祝縣境內主要有兩種氣候類型，以烏鞘嶺為分界線，烏鞘嶺以南為大陸性高原季風氣候，嶺北為溫帶大陸性半干旱氣候。平均氣溫為-8°-4℃。天祝縣內氣候復雜多變，常會發生洪澇、干旱、暴風雪等自然災害。境內出現12級以上臺風概率不大，一般最高風速不超過10級，風力破壞度不大，冬季常出現雨雪天氣，地面積雪深度不超過20cm，出現破壞性地震概率相對很小。

2 支架材料選用及處理

目前支架材料用到的主要是普通鋼材、不銹鋼及鋁合金。本方案選用最容易獲得的角鋼（L50×50×t6）。露天使用，鋼材容易銹蝕，最終致使支架結構失效，故本方案采取支架打磨處理以后噴漆防腐。

3 光伏組件的傾角

光伏組件放置的角度和形式直接影響著光伏系統的太陽輻射情況。因此，在進行光伏發電系統設計時，設計人員必須調整好組件的放置形式和角度，以有效地提高光伏發電系統的發電能力，以滿足更多牧民的用電需要。在放置光伏組件時，要注意太陽電池組件的傾角和方位角，使其更充分地接受太陽光。在選擇傾角時要遵循連續性、極大性和均勻性。技術人員通常采用近似法來確定光伏組件的傾角。一般情況下，北方地區的傾角高出當地維度5°-10°，南方地區的傾角高出當地緯度10°-15°。將天祝縣維度取平均值約為38°，因此其太陽電池的方陣傾角Q=38°+10°=48°。

4 支架強度計算

根據天祝縣實際氣候條件本套光伏發電系統中支架強度計算只考慮固定荷重G，暴風雨的風壓荷重W和積雪荷重S的短期復合荷重。天祝縣最大風速不超過12級（32.6m/s），本系統設計風速為40m/s，積雪厚度不超過20cm，取積雪深度為20cm。由于光伏發電系統有一定的傾角對20cm的積雪有自行滑落的能力，所以本處不考慮積雪所產生的荷重。支架設計簡圖如圖1所示。

4.1 總荷重計算

①固定荷重G

組件質量Gm=20.1kg=197N

角鋼框架自重Gk=4.43kg/m×1.665m×2

=14.8kg=144.6N

固定荷重G=197+144.6=341.6（N）

②風壓荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J

式中Cw為風力系數，通過查閱資料可知順風時Cw=1.06，逆風時Cw=1.43；

Ρ為空氣密度=1.274N*s2/m4；

V為風速=40m/s；

S面積=1.586×0.808=1.28m2；

α為高度補正系數=（h/h0）1/5，h為陣列的地面以上高度，這里取值為2.5m，h0為基準地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I為用途系數=本光伏發電系統為通常光伏發電系統所以系數取1；

J為環境系數=本光伏發電系統沒有障礙物的平坦地，系數取1.15。

當風從陣列前方吹來（順風）的時候風壓負荷W為

W=1/2×1.06×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1205.5N

當風從陣列后方吹來（逆風）的時候風壓負荷W1為

W1=1/2×1.43×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1626.2N

該風壓對太陽能電池方陣作為上吹荷重起作用。

③總荷重

順風時候總荷重G+W=341.6+1205.5=1547.1N

逆風時候總荷重G-W1=341.6-1626.2=-1284.6N

4.2 安裝光伏電池板的角鋼框架彎曲校核

角鋼框架受力圖如圖2所示。

■

圖2

由于順風時總荷重大于逆風時，取較大的荷重計算，并認為框架受到均布荷重。

1250mm跨距框架受到的彎矩為：M=WL2/8

式中：W——單位長度的荷載N·m；

L——跨距長m。

可得，M=（1547.1×1215/1665÷1.215） ×1.2152÷

8=171.5（N·m）

應力σ1=M/Z

式中：Z——截面系數

因為桿件采用的是角鋼，且有2根受力，其截面系數z=5.85cm3

則：σ1=17150/5.85×2=5863.3（N·cm2）

由于材料Q235的短期彎曲許用應力為15600N·cm2。5863.3<15600，是安全的。

4.3 支撐桿的壓曲荷重

本方案中有兩根支撐桿，計算中總荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半，則：

P=1547.1/2=773.6N

壓曲荷重由下式（歐拉公式）求出：

Pk=n×π2×E×I/L2

式中：Pk——壓曲荷重N；

I——軸向截面二次力矩；

n——由兩端的支撐條決定的系數；

E——材料縱向彈性系數；

L——軸長；

Pk=1×3.142×20.6×106×12.21/982=208kN

由于Pk>P，所以是安全的。

4.4 支撐桿的拉伸強度

兩根支撐桿在逆風時，受揚力作用，產生拉伸。荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半。

拉伸應力σ=P/A

式中：P——單根荷重；

A——截面積（cm2），查表得A=5.347cm2

P=1547.1/2=773.6N

σ=773.6/5.347=144.7N/cm2

由于Q235的彎曲許用應力為15600N·cm2，則有144.7<15600，在安全范圍內。

5 結束語

方案通過設計、校核及實踐證明，此方案是可靠的。本方案有效地解決了天祝縣牧區電力匱乏的問題，為提升牧民生活水平創造了有力的電力保障。

參考文獻：

[1][日]太陽光發電協會編，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.

[2]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.

[3]李天下.太陽能光伏支架系統的應用[J].陽光能源，2010（10）.

[4]呂宏偉，李新忠.太陽能光伏支架結構風載取值分析[J].西北水電，2012（05）.

[5]山海建，蔣侃鎖.固定式光伏支架設計[J].黑龍江科技信息，2011（19）.

[6]昝曉磊.某新建光伏發電項目光伏板支架基礎設計選型[J].福建建材，2013（02）.endprint

摘要：太陽能光伏組件發電與日照強度、日照時間以及電池板擺放位置和傾角有直接關系，針對天祝縣地理位置以及氣候條件，設計了一種適合天祝縣實際情況的光伏系統支架。本文對該光伏組件支架材質，選型，負荷分析進行詳細的分析和闡述，支架的結構牢固可靠，能承受自重，風荷載和其他外部效應。安全可靠的安裝，以最小的安裝成本達到最大的使用效果。

關鍵詞：太陽能發電 組件支架 支架設計 負荷分析

1 天祝縣地理位置及氣候條件

天祝藏族自治縣簡稱天祝縣，它地處甘肅省中部，是武威市的一個下轄縣，它是新中國成立后第一個實行民族自治政策的地區。天祝縣位于東經102°07′-103°46′，北緯36°31′-37°55′之間。其南北總長度為158.4公里，東西寬達142.6公里，總面積為7149平方公里，占甘肅總面積的1.54%。天祝縣境內主要有兩種氣候類型，以烏鞘嶺為分界線，烏鞘嶺以南為大陸性高原季風氣候，嶺北為溫帶大陸性半干旱氣候。平均氣溫為-8°-4℃。天祝縣內氣候復雜多變，常會發生洪澇、干旱、暴風雪等自然災害。境內出現12級以上臺風概率不大，一般最高風速不超過10級，風力破壞度不大，冬季常出現雨雪天氣，地面積雪深度不超過20cm，出現破壞性地震概率相對很小。

2 支架材料選用及處理

目前支架材料用到的主要是普通鋼材、不銹鋼及鋁合金。本方案選用最容易獲得的角鋼（L50×50×t6）。露天使用，鋼材容易銹蝕，最終致使支架結構失效，故本方案采取支架打磨處理以后噴漆防腐。

3 光伏組件的傾角

光伏組件放置的角度和形式直接影響著光伏系統的太陽輻射情況。因此，在進行光伏發電系統設計時，設計人員必須調整好組件的放置形式和角度，以有效地提高光伏發電系統的發電能力，以滿足更多牧民的用電需要。在放置光伏組件時，要注意太陽電池組件的傾角和方位角，使其更充分地接受太陽光。在選擇傾角時要遵循連續性、極大性和均勻性。技術人員通常采用近似法來確定光伏組件的傾角。一般情況下，北方地區的傾角高出當地維度5°-10°，南方地區的傾角高出當地緯度10°-15°。將天祝縣維度取平均值約為38°，因此其太陽電池的方陣傾角Q=38°+10°=48°。

4 支架強度計算

根據天祝縣實際氣候條件本套光伏發電系統中支架強度計算只考慮固定荷重G，暴風雨的風壓荷重W和積雪荷重S的短期復合荷重。天祝縣最大風速不超過12級（32.6m/s），本系統設計風速為40m/s，積雪厚度不超過20cm，取積雪深度為20cm。由于光伏發電系統有一定的傾角對20cm的積雪有自行滑落的能力，所以本處不考慮積雪所產生的荷重。支架設計簡圖如圖1所示。

4.1 總荷重計算

①固定荷重G

組件質量Gm=20.1kg=197N

角鋼框架自重Gk=4.43kg/m×1.665m×2

=14.8kg=144.6N

固定荷重G=197+144.6=341.6（N）

②風壓荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J

式中Cw為風力系數，通過查閱資料可知順風時Cw=1.06，逆風時Cw=1.43；

Ρ為空氣密度=1.274N*s2/m4；

V為風速=40m/s；

S面積=1.586×0.808=1.28m2；

α為高度補正系數=（h/h0）1/5，h為陣列的地面以上高度，這里取值為2.5m，h0為基準地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I為用途系數=本光伏發電系統為通常光伏發電系統所以系數取1；

J為環境系數=本光伏發電系統沒有障礙物的平坦地，系數取1.15。

當風從陣列前方吹來（順風）的時候風壓負荷W為

W=1/2×1.06×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1205.5N

當風從陣列后方吹來（逆風）的時候風壓負荷W1為

W1=1/2×1.43×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1626.2N

該風壓對太陽能電池方陣作為上吹荷重起作用。

③總荷重

順風時候總荷重G+W=341.6+1205.5=1547.1N

逆風時候總荷重G-W1=341.6-1626.2=-1284.6N

4.2 安裝光伏電池板的角鋼框架彎曲校核

角鋼框架受力圖如圖2所示。

■

圖2

由于順風時總荷重大于逆風時，取較大的荷重計算，并認為框架受到均布荷重。

1250mm跨距框架受到的彎矩為：M=WL2/8

式中：W——單位長度的荷載N·m；

L——跨距長m。

可得，M=（1547.1×1215/1665÷1.215） ×1.2152÷

8=171.5（N·m）

應力σ1=M/Z

式中：Z——截面系數

因為桿件采用的是角鋼，且有2根受力，其截面系數z=5.85cm3

則：σ1=17150/5.85×2=5863.3（N·cm2）

由于材料Q235的短期彎曲許用應力為15600N·cm2。5863.3<15600，是安全的。

4.3 支撐桿的壓曲荷重

本方案中有兩根支撐桿，計算中總荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半，則：

P=1547.1/2=773.6N

壓曲荷重由下式（歐拉公式）求出：

Pk=n×π2×E×I/L2

式中：Pk——壓曲荷重N；

I——軸向截面二次力矩；

n——由兩端的支撐條決定的系數；

E——材料縱向彈性系數；

L——軸長；

Pk=1×3.142×20.6×106×12.21/982=208kN

由于Pk>P，所以是安全的。

4.4 支撐桿的拉伸強度

兩根支撐桿在逆風時，受揚力作用，產生拉伸。荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半。

拉伸應力σ=P/A

式中：P——單根荷重；

A——截面積（cm2），查表得A=5.347cm2

P=1547.1/2=773.6N

σ=773.6/5.347=144.7N/cm2

由于Q235的彎曲許用應力為15600N·cm2，則有144.7<15600，在安全范圍內。

5 結束語

方案通過設計、校核及實踐證明，此方案是可靠的。本方案有效地解決了天祝縣牧區電力匱乏的問題，為提升牧民生活水平創造了有力的電力保障。

參考文獻：

[1][日]太陽光發電協會編，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.

[2]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.

[3]李天下.太陽能光伏支架系統的應用[J].陽光能源，2010（10）.

[4]呂宏偉，李新忠.太陽能光伏支架結構風載取值分析[J].西北水電，2012（05）.

[5]山海建，蔣侃鎖.固定式光伏支架設計[J].黑龍江科技信息，2011（19）.

[6]昝曉磊.某新建光伏發電項目光伏板支架基礎設計選型[J].福建建材，2013（02）.endprint

摘要：太陽能光伏組件發電與日照強度、日照時間以及電池板擺放位置和傾角有直接關系，針對天祝縣地理位置以及氣候條件，設計了一種適合天祝縣實際情況的光伏系統支架。本文對該光伏組件支架材質，選型，負荷分析進行詳細的分析和闡述，支架的結構牢固可靠，能承受自重，風荷載和其他外部效應。安全可靠的安裝，以最小的安裝成本達到最大的使用效果。

關鍵詞：太陽能發電 組件支架 支架設計 負荷分析

1 天祝縣地理位置及氣候條件

天祝藏族自治縣簡稱天祝縣，它地處甘肅省中部，是武威市的一個下轄縣，它是新中國成立后第一個實行民族自治政策的地區。天祝縣位于東經102°07′-103°46′，北緯36°31′-37°55′之間。其南北總長度為158.4公里，東西寬達142.6公里，總面積為7149平方公里，占甘肅總面積的1.54%。天祝縣境內主要有兩種氣候類型，以烏鞘嶺為分界線，烏鞘嶺以南為大陸性高原季風氣候，嶺北為溫帶大陸性半干旱氣候。平均氣溫為-8°-4℃。天祝縣內氣候復雜多變，常會發生洪澇、干旱、暴風雪等自然災害。境內出現12級以上臺風概率不大，一般最高風速不超過10級，風力破壞度不大，冬季常出現雨雪天氣，地面積雪深度不超過20cm，出現破壞性地震概率相對很小。

2 支架材料選用及處理

目前支架材料用到的主要是普通鋼材、不銹鋼及鋁合金。本方案選用最容易獲得的角鋼（L50×50×t6）。露天使用，鋼材容易銹蝕，最終致使支架結構失效，故本方案采取支架打磨處理以后噴漆防腐。

3 光伏組件的傾角

光伏組件放置的角度和形式直接影響著光伏系統的太陽輻射情況。因此，在進行光伏發電系統設計時，設計人員必須調整好組件的放置形式和角度，以有效地提高光伏發電系統的發電能力，以滿足更多牧民的用電需要。在放置光伏組件時，要注意太陽電池組件的傾角和方位角，使其更充分地接受太陽光。在選擇傾角時要遵循連續性、極大性和均勻性。技術人員通常采用近似法來確定光伏組件的傾角。一般情況下，北方地區的傾角高出當地維度5°-10°，南方地區的傾角高出當地緯度10°-15°。將天祝縣維度取平均值約為38°，因此其太陽電池的方陣傾角Q=38°+10°=48°。

4 支架強度計算

根據天祝縣實際氣候條件本套光伏發電系統中支架強度計算只考慮固定荷重G，暴風雨的風壓荷重W和積雪荷重S的短期復合荷重。天祝縣最大風速不超過12級（32.6m/s），本系統設計風速為40m/s，積雪厚度不超過20cm，取積雪深度為20cm。由于光伏發電系統有一定的傾角對20cm的積雪有自行滑落的能力，所以本處不考慮積雪所產生的荷重。支架設計簡圖如圖1所示。

4.1 總荷重計算

①固定荷重G

組件質量Gm=20.1kg=197N

角鋼框架自重Gk=4.43kg/m×1.665m×2

=14.8kg=144.6N

固定荷重G=197+144.6=341.6（N）

②風壓荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J

式中Cw為風力系數，通過查閱資料可知順風時Cw=1.06，逆風時Cw=1.43；

Ρ為空氣密度=1.274N*s2/m4；

V為風速=40m/s；

S面積=1.586×0.808=1.28m2；

α為高度補正系數=（h/h0）1/5，h為陣列的地面以上高度，這里取值為2.5m，h0為基準地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I為用途系數=本光伏發電系統為通常光伏發電系統所以系數取1；

J為環境系數=本光伏發電系統沒有障礙物的平坦地，系數取1.15。

當風從陣列前方吹來（順風）的時候風壓負荷W為

W=1/2×1.06×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1205.5N

當風從陣列后方吹來（逆風）的時候風壓負荷W1為

W1=1/2×1.43×1.274×402×1.28×0.758×1×1.15=1626.2N

該風壓對太陽能電池方陣作為上吹荷重起作用。

③總荷重

順風時候總荷重G+W=341.6+1205.5=1547.1N

逆風時候總荷重G-W1=341.6-1626.2=-1284.6N

4.2 安裝光伏電池板的角鋼框架彎曲校核

角鋼框架受力圖如圖2所示。

■

圖2

由于順風時總荷重大于逆風時，取較大的荷重計算，并認為框架受到均布荷重。

1250mm跨距框架受到的彎矩為：M=WL2/8

式中：W——單位長度的荷載N·m；

L——跨距長m。

可得，M=（1547.1×1215/1665÷1.215） ×1.2152÷

8=171.5（N·m）

應力σ1=M/Z

式中：Z——截面系數

因為桿件采用的是角鋼，且有2根受力，其截面系數z=5.85cm3

則：σ1=17150/5.85×2=5863.3（N·cm2）

由于材料Q235的短期彎曲許用應力為15600N·cm2。5863.3<15600，是安全的。

4.3 支撐桿的壓曲荷重

本方案中有兩根支撐桿，計算中總荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半，則：

P=1547.1/2=773.6N

壓曲荷重由下式（歐拉公式）求出：

Pk=n×π2×E×I/L2

式中：Pk——壓曲荷重N；

I——軸向截面二次力矩；

n——由兩端的支撐條決定的系數；

E——材料縱向彈性系數；

L——軸長；

Pk=1×3.142×20.6×106×12.21/982=208kN

由于Pk>P，所以是安全的。

4.4 支撐桿的拉伸強度

兩根支撐桿在逆風時，受揚力作用，產生拉伸。荷重均布在兩根支撐臂上，即單根荷重為總荷重一半。

拉伸應力σ=P/A

式中：P——單根荷重；

A——截面積（cm2），查表得A=5.347cm2

P=1547.1/2=773.6N

σ=773.6/5.347=144.7N/cm2

由于Q235的彎曲許用應力為15600N·cm2，則有144.7<15600，在安全范圍內。

5 結束語

方案通過設計、校核及實踐證明，此方案是可靠的。本方案有效地解決了天祝縣牧區電力匱乏的問題，為提升牧民生活水平創造了有力的電力保障。

參考文獻：

[1][日]太陽光發電協會編，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.

[2]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.

[3]李天下.太陽能光伏支架系統的應用[J].陽光能源，2010（10）.

[4]呂宏偉，李新忠.太陽能光伏支架結構風載取值分析[J].西北水電，2012（05）.

[5]山海建，蔣侃鎖.固定式光伏支架設計[J].黑龍江科技信息，2011（19）.

[6]昝曉磊.某新建光伏發電項目光伏板支架基礎設計選型[J].福建建材，2013（02）.endprint