高強(qiáng)鋼在光伏支架上的應(yīng)用

孟志杰，田興海

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

0 引言

為了力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，加快推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，“十四五”期間預(yù)計(jì)光伏年均新增裝機(jī)在70 GW以上，光伏支架年均用鋼量在240萬(wàn)t以上。目前光伏支架行業(yè)，鋼材屈服強(qiáng)度主要在355 MPa以下，用鋼量居高不下，而高強(qiáng)鋼在光伏支架上的應(yīng)用案例較少。

高強(qiáng)鋼是指屈服強(qiáng)度不低于460 MPa的鋼材，目前已經(jīng)在建筑、航天、汽車等行業(yè)推廣應(yīng)用，高強(qiáng)鋼材可以降低材料消耗，是節(jié)能環(huán)保綠色鋼材。

1 光伏支架概述

光伏支架是光伏系統(tǒng)中支承各種光伏組件的結(jié)構(gòu)，包括橫向抗側(cè)力體系和縱向抗側(cè)力體系，支架材料一般使用碳鋼和鋁合金，使用設(shè)計(jì)年限25年。

2 光伏支架結(jié)構(gòu)形式

光伏支架的結(jié)構(gòu)體系一般采用單列柱結(jié)構(gòu)體系、雙列柱結(jié)構(gòu)體系和獨(dú)立柱結(jié)構(gòu)體系等；其中單列柱結(jié)構(gòu)體系、雙列柱結(jié)構(gòu)體系為常見結(jié)構(gòu)體系，獨(dú)立柱結(jié)構(gòu)體系主要用于跟蹤支架。

單列柱支架結(jié)構(gòu)主要由斜梁、檁條、前支撐、后支撐、立柱、單樁基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件組成。單列柱光伏支撐結(jié)構(gòu)采用2個(gè)斜支撐支起斜梁，由斜撐托起光伏組件，鋼斜撐與單柱之間連接通過(guò)抱箍實(shí)現(xiàn)，具有簡(jiǎn)潔、高效的特點(diǎn)。

雙列柱支架結(jié)構(gòu)主要由斜梁、檁條、前立柱、后立柱、斜支撐和雙柱基礎(chǔ)等關(guān)鍵構(gòu)件組成。雙列柱光伏支撐結(jié)構(gòu)由前、后2個(gè)支柱以及斜支撐支起斜梁、檁條，由檁條托起光伏電池板。前、后 2個(gè)支柱與基礎(chǔ)之間的連接通過(guò)焊接、預(yù)埋螺栓、預(yù)埋鋼管連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

雙列柱支架結(jié)構(gòu)施工周期要比單列柱支架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，且空間占用相對(duì)多，地形適應(yīng)能力弱，而單列柱支架結(jié)構(gòu)地形適應(yīng)能力強(qiáng)，山區(qū)光伏方陣多采用單列柱支架形式。

表1 單列樁支架與雙列樁支架對(duì)比

3 光伏支架材料介紹

目前市場(chǎng)上光伏支架主要是熱浸鋅鋼支架為主，鋁合金支架、熱鍍鋅鋁鎂鋼支架、耐候鋼支架等材料使用占比較小。

熱浸鋅光伏支架，是由普通鋼材冷彎加工成型后，再交由熱浸鋅廠酸洗、熱浸鋅處理而成的支架，加工效率高，但鍍層易出現(xiàn)缺陷，交貨周期長(zhǎng)，環(huán)境污染大。

熱鍍鋅鋁鎂光伏支架，是由熱鍍鋅鋁鎂鋼材加工而成的支架，其鍍層添加了鋁、鎂或其他微量元素（Si、Ni等），相比熱浸鋅鍍層具有5倍以上的耐腐蝕性，而且切斷面具有自愈形成保護(hù)膜。熱鍍鋅鋁鎂鋼支架的鍍層在鋼廠內(nèi)完成，質(zhì)量穩(wěn)定，光伏支架廠只負(fù)責(zé)冷彎加工成型，交貨周期短。

耐候鋼光伏支架，是由耐候鋼加工而成的支架，耐候鋼是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼，通過(guò)在鋼中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，使鋼鐵材料表面在大氣環(huán)境下生成一層致密、具有保護(hù)性的保護(hù)層，阻止大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發(fā)展，從而提高耐大氣腐蝕能力。耐候鋼支架一般是熱軋鋼材，具有優(yōu)異的加工性能、焊接性能，在工廠一次冷彎加工成型，交貨周期短，綠色低碳環(huán)保。

鋁合金光伏支架，是由鋁合金材料擠壓加工而成的支架，表面一般做陽(yáng)極氧化處理，質(zhì)量輕、外表美觀、防腐蝕性能極高，但造價(jià)高，一般用于對(duì)承重有要求的家庭屋頂電站、強(qiáng)腐蝕環(huán)境。

4 光伏支架設(shè)計(jì)分析

4.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

（1）項(xiàng)目地點(diǎn)：云南某地，緯度26°。

（2）設(shè)計(jì)使用年限為25年；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為三級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.95。

（3）自然條件

基本風(fēng)壓：Wo=0.31 kN/m2（25年一遇，地面粗糙度為B類）

基本雪壓：So=0.31 kN/m2（25年一遇，積雪分布系數(shù)0.97）

（4）環(huán)境溫度：－11℃～＋37℃

（5）抗震設(shè)防

抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)計(jì)特征周期為0.45 s。

（6） 電池組件規(guī)格：2 256 mm×1 133 mm×35 mm，540 Wp

（7）電池組件重量：32.3 kg

（8）光伏支架傾角：26°

（9）電池組件排列方式：2×14

（10）光伏支架結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)瘟兄夥Ъ芙Y(jié)構(gòu)形式，主要由立柱、斜梁、前支撐、后支撐、檁條、拉條等構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面為冷彎薄壁型鋼。光伏支架結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間采用螺栓連接，光伏組件與檁條采用螺栓連接。

圖1 太陽(yáng)能電池組串排列圖

圖2 光伏支架結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 光伏支架設(shè)計(jì)計(jì)算

光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件采用同濟(jì)大學(xué)3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件內(nèi)置國(guó)標(biāo)規(guī)范，可以建模、受力計(jì)算分析，操作簡(jiǎn)單方便。

（1）荷載組合（表2）

表2 荷載組合

（2）材料強(qiáng)度（表3）

表3 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

（3）控制指標(biāo)（表4、表5）

表4 受壓和受拉構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比限值

表5 受彎構(gòu)件的撓度容許值

風(fēng)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值或地震作用下，支架的柱頂位移不大于柱高的1/60。

（4）計(jì)算簡(jiǎn)圖（圖3～圖8）

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖4 豎向剪力圖

圖5 豎向彎矩圖

圖6 水平剪力圖

圖7 水平彎矩圖

圖8 軸力圖

4.3 計(jì)算分析結(jié)果

設(shè)計(jì)案例中的光伏支架結(jié)構(gòu)構(gòu)件以C型鋼截面設(shè)計(jì)，隨著光伏支架材料強(qiáng)度提高，相同截面尺寸構(gòu)件壁厚減小，或者構(gòu)件截面尺寸減小。當(dāng)Q235材料變成Q550材料時(shí)，光伏支架整體減輕了30.18%，當(dāng)Q235材料變成Q690材料時(shí)，光伏支架整體減輕了34.33%；而當(dāng)Q550材料變成Q690材料時(shí)，光伏支架整體只減輕了5.94%。具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表6。

表6 不同材料強(qiáng)度光伏支架構(gòu)件參數(shù)

5 結(jié)論

通過(guò)上述分析可知，高強(qiáng)鋼可以使光伏支架結(jié)構(gòu)減輕30%以上，達(dá)到節(jié)約材料的目的；同時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件減輕后，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，施工更便捷，在未來(lái)的光伏支架市場(chǎng)上具有積極的推廣意義。