山地光伏電站用單立柱和雙立柱光伏支架 結構的受力對比分析

聶曉鵬

(貴州中建建筑科研設計院有限公司，貴陽 550006)

0 引言

光伏支架的作用是以一定的角度支撐光伏組件，從而使光伏組件能以最佳傾角發電[1]。因此，光伏支架的結構應具備安全性和穩定性，需能在25年的光伏電站運營期內承受住風荷載、雪荷載、地震作用等外荷載的影響。根據應用場景的不同，光伏支架結構通常可分為地面光伏支架結構、平屋面光伏支架結構、斜屋面光伏支架結構、立柱光伏支架結構[2]。其中，用于山地光伏電站的立柱光伏支架結構可分為單立柱光伏支架結構和雙立柱光伏支架結構，示意圖分別如圖1和圖2所示。圖中：L為檁條；Z為立柱；角標為編號。本文以某山地光伏電站用立柱光伏支架結構為例，對同一工況下單立柱和雙立柱光伏支架結構的鋼用量、樁基礎受力及檁條撓度情況進行了對比分析。

圖1 單立柱光伏支架結構示意圖Fig. 1 Structural diagram of single-pillar PV support

圖2 雙立柱光伏支架結構示意圖Fig. 2 Structural diagram of dual-pillar PV support

1 光伏支架的結構形式

在立柱光伏支架的結構中，通常以光伏組件的排列方式來確定東西向立柱之間的間距，在控制檁條撓度的基礎上，計算東西向立柱的最優跨距[3]。本研究中，設置單立柱光伏支架中相鄰2個立柱的東西向間距為3200 mm，雙立柱光伏支架中2個立柱的南北向間距為2000 mm、東西向間距為3200 mm，光伏組件的最低點離地高度為1500 mm，具體如圖3、圖4所示。

圖3 單立柱光伏支架結構的截面圖Fig. 3 Sectional view of single-pillar PV support structure

圖4 雙立柱光伏支架結構的截面圖Fig. 4 Sectional view of dual-pillar PV support structure

由于光伏支架中受力構件的截面高度和截面厚度對支架結構強度、剛度的影響較大[4]，因此，可通過計算確定光伏支架中檁條、斜梁、斜撐(前、后支撐)和前、后立柱(豎向支撐)的截面尺寸。單立柱和雙立柱光伏支架中主要受力構件的截面尺寸和材質情況分別如表1、表2所示。

結合表1、表2中的數據可知，單立柱光伏支架的鋼用量比雙立柱光伏支架的節省了1.3%。

表1 單立柱光伏支架主要受力構件的截面尺寸及材質情況Table 1 Sectional size and material of main stressed parts of single-pillar PV support

表2 雙立柱光伏支架主要受力構件的截面尺寸及材質情況Table 2 Sectional size and material of main stressed parts of dual-pillar PV support

2 光伏支架的荷載組合

以貴州省某山地光伏電站為例，對其光伏支架所受荷載情況進行分析。該光伏電站的基本情況為：光伏組串中光伏組件的布置方式為豎向布置，布置形式為“2×14”；單塊光伏組件的尺寸為1665 mm×1002 mm，重量為22.5 kg。

2.1 風荷載計算

由于安裝在光伏支架上的光伏組件的受力面積較大，因此在光伏支架所承受的外荷載中，風荷載起控制作用[5]。在風荷載作用下，光伏組件坡面受力分為順風情況下的壓力和逆風情況下的吸力。順風情況下，需要注意光伏支架構件的強度和變形；逆風情況下，光伏支架的基礎需要滿足抗傾覆要求[6]。根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[7]中表E.5，該光伏電站所在地的基本風壓w0為0.3 kPa。

風荷載標準值wk的計算式為：

式中：βz為高度z處的風振系數，取1.0；μz為高度z處的風壓變化系數，取1.0；μs為風荷載體形系數，根據GB 50009—2012中表8.3.1 關于次結構的體形系數，處于迎風面時光伏組件坡面表現為壓力，此時上端體形系數μs上為0.5，下端體形系數μs下為1.3；處于背風面時光伏組件坡面表現為吸力，此時上端體形系數μs上為-0.5，下端體形系數μs下為-1.3。

由于本光伏電站位于山區，根據GB 50009—2012中第8.2.2條的規定，還需對地形條件進行修正，修正系數η可表示為：

式中：tanα為山峰在迎風面一側的坡度，根據施工現場的地勢，取0.3；k為地形系數，取1.4；h為建筑物計算位置離建筑物地面的高度，取2.5 m；H為山坡全高，取20 m。

將相關數值代入式(2)，可得到η=1.4，則修正后的風荷載標準值wk′可表示為：

將相關數值代入式(3)，可得到風壓力作用下光伏組件坡面上端承受的修正后的風荷載標準值w′k上為0.21 kPa；光伏組件坡面下端承受的修正后的風荷載標準值w′k下為0.55 kPa。風吸力作用下，光伏組件坡面上端承受的修正后的風荷載標準值w′k上為-0.21 kPa；光伏組件坡面下端承受的修正后的風荷載標準值w′k下為-0.55 kPa。

由于檁條與光伏組件采用螺栓連接，因此檁條與光伏組件接觸處的受力形式為點荷載。光伏組件的長l為1.665 m、寬b為1.002 m，在風力作用下，檁條與光伏組件接觸處的點荷載F可表示為：

根據式(4)可得，風壓力作用下，檁條與光伏組件坡面上端、下端接觸處的點荷載F上、F下分別為88 N和229 N；風吸力作用下，檁條與光伏組件坡面上端、下端接觸處的點荷載F上、F下分別為-88 N和-229 N。

2.2 雪荷載計算

根據GB 50009—2012中附錄E.5，可得到本光伏電站所在地的基本雪壓s0為0.3 kN/m2，則光伏支架所受雪荷載的標準值sk可表示為：

式中：μr為屋面積雪分布系數，取1.0。

通過式(5)可得，sk=0.3 kN/m2。

2.3 其他荷載

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》[8]中的“對于地面用光伏組件的支架，當設防烈度小于8度時，可以不進行抗震驗算”，本研究中的荷載未考慮地震作用產生的影響。

GB 50017—2017《鋼結構設計規范》[9]中第8.1.5條對溫度區段長度做了明確規定，即當露天結構縱向溫度區段小于120 m時，可以不考慮溫度應力和溫度變形的影響。本研究中光伏支架的檁條和主梁長度均小于該值，因此可以不考慮溫度對光伏支架結構的影響。

3 光伏支架的受力分析

將上述荷載按照GB 50797—2012中6.8.7條進行組合，采用SAP2000軟件仿真分析不同工況下單立柱和雙立柱光伏支架的基礎受力及檁條撓度情況。

本光伏電站中光伏組件的最佳安裝傾角為15°，因此在建模過程中將檁條繞自身截面縱軸旋轉15°與光伏組件安裝傾角相平行，使檁條的受力模型更為合理。光伏支架上施加的外荷載為點荷載，根據所采用的光伏組件布置方式，光伏支架所受外荷載主要是通過組件與檁條的連接點傳遞的，經斜梁傳遞給立柱，最終傳遞給光伏支架基礎。

3.1 樁基礎受力

該光伏電站的光伏支架基礎采用樁基礎，在相同工況下，提取了仿真模型中單立柱和雙立柱光伏支架基礎頂部所受的上拔力，具體如圖5所示。

圖5 單立柱和雙立柱光伏支架樁基礎頂部所受的 上拔力的柱狀圖Fig. 5 Histogram of pull-up force on top of pile foundation of single-pillar and dual-pillar PV support

由圖5可知，單立柱光伏支架基礎頂部所受的最大上拔力約為雙立柱光伏支架基礎頂部所受的2倍。這對單立柱光伏支架基礎及基礎與支架連接處的材料提出了更高的強度要求。

3.2 檁條撓度

根據GB 50797—2012中第6.8.8條，計算得到檁條撓度的容許值為L/250=12.8 mm，其中L為檁條的跨度(即立柱的東西向間距)，取3200 mm。通過模擬軟件計算了圖1、圖2所示的單立柱和雙立柱光伏支架中每個跨度下檁條的撓度值，計算結果均在容許范圍內，符合規范的要求。不同軸線上的檁條的撓度值如圖6～圖9所示。圖中撓度值的負號代表下撓時的撓度值，正號代表上拱時的撓度值。

圖6 A軸線上的檁條的撓度值Fig. 6 Deflection value of purlin on axis A

圖7 B軸線上的檁條的撓度值Fig. 7 Deflection value of purlin on axis B

圖8 C軸線上的檁條的撓度值Fig. 8 Deflection value of purlin on axis C

圖9 D軸線上的檁條的撓度值Fig. 9 Deflection value of purlin on axis D

由圖6～圖9可知：1)雙立柱光伏支架中檁條的最大撓度值比單立柱光伏支架的大；2)沿同一條軸線布置的檁條中，雙立柱光伏支架中相鄰兩跨檁條的撓度值相差較大；3)單立柱和雙立柱光伏架中檁條撓度最大值分別出現在沿D軸線和B軸線布置的檁條中。

4 結論

本文在相同工況下，采用SPA2000軟件對某山地光伏電站中單、雙立柱光伏支架的結構進行了仿真研究，在鋼用量、樁基礎受力和檁條撓度值這3個方面進行了對比分析，具體結果如下：

1)單立柱光伏支架的鋼用量比雙立柱光伏支架的節省了1.3%。

2)單立柱光伏支架基礎頂部所受最大上拔力約為雙立柱光伏支架基礎所受最大上拔力的2倍。

3)同一條軸線上，雙立柱和單立柱光伏支架中檁條的撓度最大值出現的部位不同，前者的檁條的撓度最大值出現在倒數第2排檁條中，而后者的則出現在第1排檁條中。

4)施工時，單立柱光伏支架的樁基礎的定位放線精度控制相對簡單，且場平工程量較小；但對于土質較硬的地區而言，單立柱光伏支架的樁基礎深度較深，成孔阻力會隨之增大，因此若在這些地區采用雙立柱光伏支架樁基礎，施工速度會相對較快。