山地光伏支架系統解決方案

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 黃華 何銀濤

0 引言

隨著我國光伏發電事業的大力發展，目前西北地區大量荒漠、戈壁灘等光伏并網電站可利用的較平整場地已越來越少，現在一些企業已經將目光投向了山地、屋頂及與農業相結合的農業大棚等電站載體上。本文著重對山地光伏支架系統[1]與一般光伏支架系統進行對比分析，為改善山地光伏支架系統的受力問題提供參考。

1 對比分析

荒漠光伏電站相對于山地光伏電站，項目場地地形起伏較小，支架系統也具有一定的調節能力，一般采取調平處理[2]。山地光伏電站項目場地均為山地，地形起伏較大，坡度一般約在10°～25°，支架系統自身的調節量已不能抵消地勢變化。引起的高度差，既然不能采用調平處理的方式，只能采用“放坡處理”的方式，如圖1、圖2所示。

由于荒漠光伏電站支架系統采用了高平處理，即相鄰兩榀支架斜梁處于同一水平面內，橫梁與斜梁為面接觸，連接處受力均勻，正常情況下不會產生局部變形、撕裂等破壞。而山地電站項目支架系統采用了放坡處理，即相鄰的兩榀支架斜梁不在同一水平面內，如果繼續延用荒漠電站支架系統會導致橫梁與斜梁的面接觸變為線接觸，如圖3、圖4所示，橫梁與斜梁連接處受力不均勻，易產生局部變形、撕裂等破壞。

圖1 荒漠電站支架系統－調平處理(單位：mm)

圖2 山地電站支架系統－放坡處理(單位：mm)

圖3 荒漠電站斜梁與橫梁連接示意

圖4 山地電站斜梁與橫梁連接示意

2 山地光伏支架適應性設計

為解決荒漠光伏電站支架系統應用于山地地形所產生的受力不均勻問題，現提出以下解決方案。

2.1 方案一

在立柱與斜梁連接處增加雙向鉸連接件(見圖5)，即可滿足斜梁南北方向傾斜達到最佳傾角，又可使斜梁東西方向傾斜達到與橫梁緊密連接，避免了斜梁與橫梁的線接觸問題。優點是一榀支架只需增加兩套鉸連接件，成本較低；缺點是安裝后斜梁重心偏移，不在立柱幾何中心處，會導致斜梁與橫梁連接處產生較大的應力，對材料強度要求較高。

圖5 立柱頂增加鉸連接件示意圖

2.2 方案二

圖6 斜梁與橫梁連接處增加鉸連接件

在斜梁與橫梁連接處增加鉸連接件(見圖6)，通過連接件轉換分別使斜梁、橫梁同時與鉸連接件實現面接觸，從而改善橫梁的受力情況。優點是解決了斜梁重心偏移的問題，各部分受力更合理；缺點是一榀支架需增加4套鉸連接件，材料成本費用較高。

3 應力分析

因山地光伏支架與荒漠電站支架的主要區別在于增加了鉸連接件，故本文著重對鉸連接件進行應力分析。初始條件：基本風壓0.3 kN/m2，基本雪壓0.2 kN/m2，電池組件1650 mm×992 mm×40 mm、19 kg。SAP2000進行結構校核顯示該結構在多種荷載組合工況下均穩定(如圖7所示)。根據上、下板風吸力、風壓力不同，計算后將面荷載轉換成集中力作用于鉸連接件處。方案一的鉸連接件受力分解如圖8所示，方案二的鉸連接件受力分解如圖9所示。

圖7 結構穩定性校核

圖8 方案一鉸連接件受力分解

圖9 方案二鉸連接件受力分解

使用有限元分析軟件分別對鉸連接件進行受力分析如圖10、圖11所示。

圖10 方案一鉸連接件應力分析(單位：MPa)

圖11 方案二鉸連接件應力分析(單位：MPa)

由校核結果可知，在同等受力條件下，方案一鉸連接件1、2最大應力分別為250.7 MPa、143.07 MPa，方案二鉸連接件1、2最大應力分別為130.81 MPa、128.67 MPa。方案二鉸連接件應力明顯小于方案一鉸連接件應力。

4 工程應用實例

本文所述兩種方案為解決荒漠電站支架系統應用于山地地形所產生的受力不均勻問題提供了參考，其中方案一已在國內某大型山地項目中實施應用(見圖12)，效果較為理想。方案二為準備實施于國內某大型山地項目的方案(見圖13)，效果有待驗證。

圖12 方案一工程應用

圖13 方案二工程樣品

5 結束語

隨著西北地區可用于建設光伏電站的較平整場地的減少，山地光伏電站將會越來越多，解決山地光伏電站支架系統受力問題是推廣山地光伏電站的首要條件。本文所述兩種方案為解決荒漠電站支架系統應用于山地地形所產生的受力不均勻問題提供了參考，并于國內某山地項目中實施應用，效果較為理想，有利于山地光伏電站的推廣應用。

[1](日)太陽光發電協會. 太陽能光伏發電系統的設計與施工[M]. 北京: 科學出版社，2006，13－72.

[2]GB 50797-2012， 光伏發電站設計規范[S].