STAAD CHINA在光伏支架優化設計中的應用研究

代兵

摘 要：在太陽能光伏發電項目中，光伏支架是最主要的構筑物，使用三維結構分析軟件完成光伏支架結構分析，與平面計算相比，更符合結構實際受力，計算結果更加精確。本文結合實際工程，從設計角度出發，淺析應用STAAD CHINA進行光伏支架優化設計的一般過程和要點，對類似工程提供借鑒。

關鍵詞：光伏支架；三維；優化設計

在光伏支架設計中，如何實現光伏支架在滿足強度、剛度和穩定性條件下盡量的節省鋼材，是光伏支架設計中面臨的關鍵問題。以往的光伏支架設計和優化，光伏支架通常被簡化為平面模型進行分析和計算，這種簡化使計算變得簡單、高效，但忽略支架間的相互作用，計算結果偏于保守。隨著STAAD CHINA等三維分析軟件的發展，光伏支架采用三維分析軟件進行計算的工程越來越多，與平面計算相比，三維計算更加符合結構實際受力性能，實現結構精細化設計且可以節省材料。本文擬結合青海省某光伏園區內的實際項目，淺談STAAD CHINA在光伏支架優化設計中的應用。STAAD CHINA是美國BENTLEY公司開發的一款三維有限元結構分析與設計軟件，其包含STAAD.PRO和SSDD。本文先應用STAAD.PRO進行建模和結構受力分析，然后應用SSDD對支架結構進行規范檢驗和優化。

1 項目主要設計條件和結構尺寸

1.1 主要設計條件如下

結構設計使用年限為25年，結構的重要性系數：1.0；基本風壓 ：0.31KN/m2；基本雪壓 ：0.14KN/m2；光伏板自重 ：0.12KN/m2，光伏板尺寸：長 ，寬 ；地震基本烈度：8度，地震加速度：0.20g。

1.2 主要結構尺寸

光伏支架主要結構尺寸詳見圖1和圖2

圖1 光伏組件平面布置圖

2 建模

光伏支架建模一般可按以下步驟進行：輸入結構的幾何模型，軟件提供了強大的建模工具，包括平移、復制、轉動、鏡像等繪圖工具；定義桿件截面特性；輸入桿件的材料特性和幾何常數；支座及桿件特性定義。圖3為依據上述步驟，建立的光伏支架三維結構模型。

圖2 光伏支架側視圖

圖3光伏支架三維結構模型

3 荷載

3.1 恒荷載

光伏支架自重。光伏支架自重通過軟件模型直接加載；光伏組件自重。光伏組件自重簡化為均布線荷載加載到組件支架檁條上，方向垂直向下。光伏板自重：

G=g0×L/2=0.12×1.66/2=0.1kN/m ；

3.2 風荷載

光伏支架本身承受的風荷載較小，可忽略不計。太陽能電池板的風荷載簡化為均布線荷載作用到光伏支架檁條上。目前，光伏支架風荷載計算模型尚存爭議，本文風荷載依據較為成熟的日本光伏支架風荷載模型計算。設計風壓：

；

為風荷載高度修正系數， 。

h為光伏支架距離地面高度；h0為基準高度，通常去10米；n為高度修正因子，本工程取5。

I為用途系數，其是與太陽能光伏發電系統重要程度相對應的系數，本工程取1。

J 為環境系數，本工程使用場地較為平整，因此環境系數取1.15。

順風風荷載：

；

逆風風荷載：

；

為風力系數，順風 ，逆風 ，其中 為光伏支架傾角。

3.3 雪荷載

太陽能電池板的雪荷載簡化為均布線荷載加載到光伏支架檁條上。

依據《建筑結構荷載規范》，設計雪荷載：

；

為積雪分布系數，本工程取0.5。

雪荷載：

。

3.4 地震荷載

地震荷載加載前須利用軟件自帶的地震模塊，對地震荷載進行定義，然后通過軟件地震模塊直接加載。

3.5 荷載組合

依據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》，本次結構計算包括以下荷載組合：1.2恒荷載 + 1.4順風荷載；1.0恒荷載 - 1.4逆風荷載；1.2恒荷載 + 1.3地震荷載；1.2恒荷載 + 1.4雪荷載 + 0.6 x 1.4順風荷載；

4 內力分析

軟件提供2種分析引擎：一是STAAD分析引擎，用于一般用途的結構分析和設計；二是STARDYNE高級分析引擎，用于高級結構模型分析。光伏支架采用前者進行分析即可滿足要求。模型分析后，在軟件的后處理分項頁可以查看分析結果，包括節點位移、反力；梁單元內力、應力等。

4.1 規范檢驗

利用SSDD對光伏支架桿件進行內力和位移檢驗，檢驗結果詳見圖4和圖5。檢驗結果顯示光伏支架在各種荷載工況下，構件應力均小于設計值，構件變形和位移也滿足規范要求，結構安全。不過檢驗結果也顯示，支架的斜撐、斜梁和后立柱處出現了許多過于安全構件（軟件默認為應力小于0.30的構件），例如，后立柱的最小應力比僅為0.04。

圖4光伏支架構件應力比

圖5光伏支架構件位移變形圖

4.2 光伏支架優化

主要的優化對象是規范檢驗中出現的過于安全構件，基本優化原理是：在確保支架安全的前提下，通過減小構件截面尺寸，提高構件的應力比。優化后光伏支架構件應力比詳見圖6，優化后構件的最大應力比均大于0.30。表1為優化前后光伏支架主要構件截面和應力對比表，優化后組件支架1MWp的鋼材用量也由60.21噸降低為48.4噸。以20MWp的光伏發電項目為例，優化后將節省費用約190萬元。

圖6優化后光伏支架構件應力比

表1 優化前后光伏支架主要構件對比表

5 結語

根據以往工程經驗，只要支架模型和實際基本相符，荷載和荷載組合輸入正確，STAAD CHINA內力分析結果還是比較符合實際的。但進行普通鋼結構規范檢驗時，若構件參數選用了缺省值或選用不當，則構件截面設計和優化結果可能有誤。建議構件參數的選用上，應嚴格參照有關規范的規定選取。

參考文獻：

[1] 賀廣零，蔣華慶，單建東，等.光伏方陣風荷載模型研究[J].電力建設.2012（10）：5-8.

[2] 陳源.光伏支架結構優化設計研究[J].電氣應用.2013（17）：76-80.