裝配式鋁合金光伏支架

王迎春,徐 翔

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

2020年9月22日，在第75屆聯合國大會期間，國家提出將加快形成綠色發展方式和生活方式，力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。與此同時，中國光伏行業傲立于世界之巔，創造了光伏制造業、發電裝機量、發電量“三項世界第一”。“十四五”至2050年，風電、光伏等非化石能源將加速從補充能源轉向替代能源，光伏行業將面臨更多發展機遇[1]。

光伏電站太陽能組件邊框多采用鋁合金制作，而組件支架大多采用熱浸鋅結構鋼制作。鋼材熱浸鋅不利于環保，且支架加工倒運周期長。6系表面陽極氧化鋁合金的強度與價格適中，易于熱擠壓成形，抗蝕與耐候性強，可回收利用率高，外觀美觀，輕質便于施工，工業化程度高[2]，滿足“以鋁代鋼”的技術條件。

由于目前鋁合金支架成本較高，制約了其市場推廣。本文從光伏鋁合金支架選型、截面優化等方面進行研究，以降本增效為目的，使光伏鋁合金支架具備市場競爭力。

1 鋁合金材料

橋梁和建筑行業常用鋁合金大致有5種，合金牌號分別為6063、6005、6061、6082和6013，采用熱處理可強化T6狀態，各牌號鋁合金強度依次增加，但焊接會降低其強度[3]。

根據GB/T 6892-2015《一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材》和GB 50429-2007《鋁合金結構設計規范》給出的鋁合金材料的室溫力學性能[4-6]，建筑鋁合金材料力學性能指標見表1(適用于壁厚不大于5 mm的空心型材)。其中6061-T6和6082-T6的力學性能接近Q235鋼。

表1 建筑鋁合金材料力學性能指標表

鋁合金材料的物理性能指標見表2。鋁合金密度和彈性模量約是鋼的1/3。

表2 鋁合金物理性能指標表

應根據支架安裝的使用條件和地理環境條件，確定鋁合金光伏支架的氧化膜厚度，一般不低于AA15的氧化膜。對沿海潮濕及大氣污染條件較惡劣的地區，一般選用AA20或AA25的氧化膜。

2 支架型式

本文光伏組件支架采用中心支撐結構型式，外形如圖1(a)，該方案構件形成平面桁架結構，側向剛度大；立柱桿件節點均為鉸接，為軸心受力桿件；斜梁為壓彎構件。

當外形尺寸2094 mm×1038 mm(長×寬)光伏組件按2行豎向排布時，通過力學分析，建議支架斜梁懸挑長度控制在節點間距的0.1倍左右。當組件4行橫向排布時，斜梁懸挑長度控制在節點間距的0.25倍左右。此時斜梁撓曲均勻，彎矩正負值接近，結構經濟性較優[7]。結構變形圖分別見圖1(b)、1(c)。

圖1 支架型式圖

3 構件截面

同等材料條件下，在提高抗彎剛度方面，將材料盡可能布置于遠端，性能最好，提高截面高度比，增加寬度，節約材料效果更好。從強度計算角度，鋁合金彈性模量小，局部穩定問題突出，充分利用薄壁板組屈曲后強度，可得到經濟材料用量。

板件的屈曲后強度利用分為受剪屈曲后和受壓屈曲后。受剪利用拉力帶的概念，形成桁架受力機理，拉力帶傾角與加勁和翼緣面外剛度有關。受壓時屈曲部分逐步退出工作，承擔應力減小，按照應力等效原則，將該部分應力等效形成有效截面概念計算承載力。

本文提出圖2的系列截面型式，兼顧了截面經濟化要求和裝配便利性，同時閉口截面具有很高的抗扭能力。

圖2 支架構件截面型式圖

GB/T 5237-2017《鋁合金結構設計規范》[4]給出了受壓局部屈曲板件屈曲后強度計算方法，設計時選用的構件截面按有效截面法進行強度及穩定性校核。

4 裝配連接

組件與檁條可參圖3(a)所示裝配，當組件豎排時，邊框與檁條可直接螺栓連接；組件橫排時，利用圖示“π”型聯接件進行連接。檁條與斜梁通過角型聯接件螺栓固定，如圖3(b)；立柱與斜梁通過 “H”型聯接件螺栓固定，如圖3(c)；柱腳采用“π”型聯接件與基礎固定，如圖3(d)。

圖3 支架裝配節點圖

鋁合金光伏支架的連緊固件應盡量采用不銹鋼螺栓進行緊固，也可采用經熱浸鋅、電鍍鋅、鍍鋁或達克羅等表面處理后的鋼制螺栓。

5 節點分析

利用商業有限元ANSYS軟件對檁條安裝節點進行模擬分析，保證構件不發生局部破壞。計算模型采用靜態分析算法，使用實體單元。由于模型中存在大量的接觸對，在模型計算過程中極易出現計算不收斂的情況，本文對模型中部件間的相互作用進行了簡化，并對接觸屬性做了適當調整。

5.1 參數及邊界條件

(1)材料本構關系使用Ramberg-Osgood模型，對熱處理合金，參數n取5，α取0.7，曲線接近雙折線。

(2)模型如圖5(a)、圖6(a)所示。對連接螺栓施加固定約束，在檁條或斜梁端部施加豎向位移模擬風吸力作用下節點處的拉力作用，以得到節點的極限承載力。

5.2 模擬結果

從圖4(a)可見，當外力增加到約14 kN時，螺栓與檁條接觸處局部擠壓位置進入塑性變形狀態，節點破壞。圖4(b)可見，當外力約為10 kN時，螺栓與斜梁接觸處局部壓力出現反彎點，截面出現畸變，板組拉力場參與受力。常規外荷載條件下，光伏支架節點荷載均小于上述數值。

圖4 檁條與斜梁連接處力和位移曲線圖

在約14 kN外力作用下，從圖5(b)位移云圖可見螺栓連接部位由于擠壓板件有輕微壓屈，圖5(c)顯示除應力集中處其它部位板件處于彈性應力狀態。節點整體的力與變形關系表現為彈性狀態。

圖5 檁條與斜梁連接部位檁條應力及變形云圖 單位：位移，mm;應力，MPa

在約10 kN外力作用下，從圖6(b)位移云圖可見螺栓連接部位存在輕微變形，圖6(c)顯示除應力集中處其它板件處于彈性應力狀態。節點整體的力與變形關系表現為彈性狀態。

圖6 檁條與斜梁連接部位斜梁應力及變形云圖 單位：位移，mm;應力，MPa

6 經濟性

依據本文思路研發了系列鋁合金支架，并與鍍鋅鋼支架進行了經濟性比較。在基本風壓0.5 kN/m2，基本雪壓0.25 kN/m2時，不同支架傾角對應的鋁和鋼支架重量比，以及乘以鋁鋼價格比后的支架價格比如表3。2種支架價格基本持平，鋁合金支架具有參與市場競爭的能力，有助于推動光伏行業綠色健康發展。當鋁鋼價格比低于3.0時，鋁合金支架的價格將具有優勢。

表3 光伏支架經濟性對比表

7 結 語

本文基于常用建筑鋁型材，對固定式鋁合金光伏支架的結構形式、構件截面、裝配方式和節點強度進行了分析和研究，形成了自有的鋁型材截面庫，研發了不同風壓和雪壓條件下的鋁合金光伏支架體系，其經濟性與目前主流鍍鋅鋼支架基本持平，突破了限制其推廣的價格瓶頸。鑒于鋁合金支架全面的比較優勢，將有助于其推廣應用，促進光伏發電行業更加綠色、高效發展。