光伏電站支架連接節點探討

■ 買發軍 白榮麗 呂丹

(1.特變電工新疆新能源股份有限公司；2.中國船舶重工集團西安第七O五研究所海源測控技術有限公司)

0 引言

伴隨光伏發電電池組件的應用發展，光伏組件固定支架從設計、生產到安裝均已向正規化、規模化方向發展[1]。然而，隨著光伏支架安裝規模不斷擴大，支架連接節點處零件損壞從而導致電池組件發生脫落的事故頻繁發生。本文以光伏電站工程案例為基準，從設計角度出發，以荒漠電站光伏支架連接節點為研究對象對比分析，比較得出較優連接節點安裝方案，確保光伏組件支架的安全、可靠。

1 項目概述

1.1 項目背景

柳樹泉100 MWp并網光伏電站項目位于新疆自治區哈密市西北約60 km的戈壁灘上。場址區域位于東經 92°53′57.82′～96°56′42.64′、北緯 42°08′10.76′～43°07′44.72′之間，用地面積2980262.29 m2。總體呈矩形布置，南北長約800 m，東西長3725.34 m，擬建場址區地形平緩開闊，地勢平坦，地表由灰黑色棱角碎石覆蓋，呈戈壁景觀，有少量耐旱植被生長，海拔高程在938～987 m之間。場址區以南約3 km 為連霍高速G30，以西約2 km 分布有簡易公路，交通較為便利。哈密市深處內陸，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥，雨量少而集中，蒸發強烈，冬冷夏熱，氣溫日差較大；日照時間長，光能豐富；無霜期短，冬春季風沙天氣較多。年均氣溫10.3 ℃，極端高溫43.2 ℃，極端低溫-28.9 ℃；年均風速1.5 m/s；年平均降水量42.7 mm；多年平均日照時數為3313.6 h，太陽能資源豐富，是建設光伏電站的理想場所。

1.2 主要技術參數

1)場地土類型為中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類。

2)設計基本地震加速度值為0.10 g，抗震設防烈度為VII度；特征周期0.40 s。

3)設計基本風壓：0.60 kN/m2；設計基本雪壓：0.35 kN/m2。

4)標準凍土深度127 cm。

5)根據地勘資料顯示，本次勘察結果8.0 m深度范圍內未見地下水，因此設計時可不考慮地下水對基礎的影響。

2 組件固定連接節點分析

多晶硅電池組件廣泛應用于荒漠電站建設中[2]，由于組件本身結構形式的限制，現階段組件與支架的固定形式主要有以下3種：螺栓固定、壓塊固定、壓塊與抱箍組合固定[3]。

2.1 螺栓固定連接節點分析

一般情況下，多晶硅電池組件邊框上有4個φ9的安裝孔，可通過M8的螺栓將光伏組件鋁合金邊框與支架檁條連接固定。圖1為螺栓固定節點連接示意圖。

圖1 螺栓固定節點連接示意圖

目前光伏行業競爭越來越激烈，致使組件廠家將組件價格壓得越來越低，很多廠家為了在價格上顯出優勢，從原材料環節降低投入，逐漸將組件鋁合金邊框減薄。因此，在考慮采用螺栓固定的連接方式前，必須保證廠家提供的光伏組件鋁合金邊框能夠滿足要求而不被撕裂，否則此種連接方式將存在很大的安全隱患，不建議采用此種連接方式。圖2為螺栓固定方式組件邊框撕裂示意圖。

圖2 螺栓固定方式組件邊框撕裂示意圖

2.2 壓塊固定連接節點分析

目前國內外應用比較廣泛的壓塊形式有兩種，一種是U型壓塊，一種是π型壓塊。這兩種壓塊選用的材質為鋁合金6063-T5，成本低廉、安裝簡便，因此廣泛應用于光伏各項目中。圖3為U型壓塊、π型壓塊安裝示意圖。

根據了解到的工程實際情況，大部分支架廠家對其提供的壓塊承載力并不是很了解，在風速較大地區和風速較小地區統一采用同一種規格的壓塊，存在非常大的安全隱患。對于一些風速較大的地區，如果采用U型壓塊和π型壓塊連接方式，一旦其中一塊電池組件發生脫落，其他電池組件將會發生連續脫落的現象。圖4為U型壓塊、π型壓塊安裝方式組件脫落示意圖。

圖3 U型壓塊、π型壓塊安裝示意圖

圖4 U型壓塊、π型壓塊安裝方式組件脫落示意圖

2.2.1 U型壓塊有限元分析

基本參數：單位mm；材質為鋁合金6063-T5，質量 0.03045 kg，體積 1.12782×10-5m3；設計基本風壓為0.60 kN/m2；設計基本雪壓為0.35 kN/m2。

U型壓塊有限元模擬計算如圖5所示。

通過U型壓塊有限元分析計算，單個壓塊的設計承載力為0.5 kN。可取單個U型壓塊的承載力設計值為50 kg，即0.5 kN。

2.2.2 π型壓塊有限元分析

基本參數：單位mm；材質為鋁合金6063-T5，質量 0.03265 kg，體積 1.20928×10-5m3；設計基本風壓為0.60 kN/m2；設計基本雪壓：0.35 kN/m2。

圖5 U型壓塊有限元模擬計算示意圖

π型壓塊有限元模擬計算如圖6所示。

圖6 π型壓塊有限元模擬計算示意圖

通過π型壓塊有限元分析計算，單個壓塊的設計承載力為0.5 kN。可取單個π型壓塊的承載力設計值為50 kg，即0.5 kN。

鑒于上述連接方式存在組件連續脫落的安全隱患，部分支架廠家通過優化設計，采用改進后的TT型壓塊。此種壓塊在設計時將下端距支架結構的距離設計為2 mm，如果一組支架中有1塊電池組件脫落，壓塊的“兩條腿”將發揮其作用，支撐在檁條上表面，不至于發生組件連環脫落的現象。因此，在風速較大的地區，建議采用TT型壓塊。圖7為TT型壓塊安裝方式示意圖。

圖7 TT型壓塊安裝方式示意圖

2.2.3 TT型壓塊有限元分析

基本參數：單位mm；材質為鋁合金6063-T5，質量 0.0546 kg，體積 2.02258×10-5m3；設計基本風壓為0.60 kN/m2；設計基本雪壓為0.35 kN/m2。

TT型壓塊有限元模擬計算如圖8所示。

圖8 TT型壓塊有限元模擬計算示意圖

通過TT型壓塊有限元分析計算，單個壓塊的設計承載力為2.0 kN。可取單個TT型壓塊的承載力設計值為100 kg，即1.0 kN。

2.2.4 單塊組件壓塊連接點受力分析

柳樹泉100 MWp項目位于哈密地區，根據GB 5009-2012《建筑結構荷載規范》[4]，哈密地區50年一遇的基本風壓為0.60 kN/m2。

由于組件背風面受到的風荷載最大，以1塊組件為研究對象，計算每塊組件背風面受到的力。根據GB 5009-2012《建筑結構荷載規范》中公式8.1.1-1：

式中，βz為高度Z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓，kN/m2。

經計算，wk=1.0×1.3×1.0×0.6=0.78 kN/m2。

單塊電池組件尺寸長為1.956 m，寬為0.992 m。因此，單塊組件最大受力為0.78×1.956×0.992=1.513 kN。單塊組件由4個壓塊固定，所以單個壓塊的最大受力為N=1.513/4=0.378 kN。

根據實際受力分析，單個壓塊的受力為0.378 kN，而單個壓塊的設計承載力分別為 U型壓塊0.5 kN、π型壓塊0.5 kN、TT型壓塊1.0 kN，均大于實際受力0.378 kN，滿足要求。綜上所述，采用TT型壓塊固定組件更為可靠。

然而對于一些風速特別大的地區，以40 m/s的風速計算，單個壓塊的最大受力為0.6985 kN。若采用U型壓塊或π型壓塊， 最大設計承載力為0.5 kN，不能滿足要求；若采用TT型壓塊，最大設計承載力為1.0 kN，能夠滿足要求。但為了規避一些不可預見的風險，通常在風速特別大的地區，采用TT型壓塊與抱箍組合固定的連接方式。雖然此種連接方式連接件的成本較高，但就光伏電站支架的安全性與經濟性的矛盾而言，安全性是第一位。因此，通過對比分析，采用TT型壓塊與抱箍組合固定的連接方式可作為一種優選方案供支架設計選用。圖9為壓塊與抱箍組合固定連接方式示意圖。

圖9 壓塊與抱箍組合固定連接方式示意圖

3 結束語

綜上所述，組件與支架連接節點處，主要是由于不同地區風速差異較大但選用的連接方式基本相同，未進行針對性設計，導致組件脫落現象發生。通過上述對比分析可看出，壓塊與抱箍組合的固定方式連接可靠性最好，但連接件成本及安裝費用相對其他兩種方式偏高。因此，光伏電站設計中應綜合考慮安全、成本等各方面原因，根據項目現場實際情況合理選擇組件固定方式，在保證組件固定安全可靠的前提下，達到成本最優的目的。另外，由于組件鋁邊框的撕裂導致組件脫落對光伏電站影響也較大，因此，不同地區光伏電站在進行組件設計選型時，應酌情考慮組件邊框的抗風強度應達到當地風壓要求。

[1]GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

[2]GB 50794-2012，光伏發電站施工規范[S].

[3]GB 50017-2012，鋼結構設計規范[S].

[4]GB 5009-2012，筑結構荷載規范[S].