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分布式光伏支架在工程中的应用计算

2025-03-12 98 上传者：管理员

摘要：简要介绍了光伏支架的概况。根据相关规范及规程，总结了光伏支架的基本规定和计算方法。通过二维平面计算和PKPM三维空间计算，对光伏支架在永久荷载、风荷载、雪荷载等组合作用下进行受力分析，可为类似工程设计提供参考依据。

关键词：
三维计算
二维计算
光伏支架
太阳能电池板专用支架
荷载效应
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1、光伏支架概述

1.1光伏支架简介

光伏支架是一种太阳能电池板专用支架,在我国西北地方运用广泛｡支架根据结构形式､类型､安装方式､材质等分为不同类型[1],通常情况下在空旷的地方安装固定在地面上,还有一些石化项目,支架安装在建筑物屋顶上或其他一些结构构件上｡支架设计要有一个固定的倾斜角度即太阳能高度角,可以使电池板最大可能地接收太阳辐射｡

1.2光伏支架发展现状

近几年,我国光伏技术发展蓬勃,各种材料的太阳电池及光伏组件､光伏发电系统集成及应用等技术应运而生｡每年光伏设备､发电站装机量激增,光伏支架的需求也日益增加｡目前,分布式光伏应用在农业大棚､太阳能光伏车棚､雨棚等｡建设场地根据环境不同,有地面光伏(如沙戈荒光伏､山地光伏､林光互补､农/牧光互补),水面光伏(坑塘光伏､渔光互补､海上漂浮光伏､滩涂光伏等)｡石化行业一般适用屋面光伏｡随着建造场地､环境等影响,光伏支架用钢量也成为影响支架成本的一个重要因素｡

本文旨在研究光伏支架的应用计算｡目前,根据石化项目的具体要求,仅在一些建筑物屋面上进行光伏铺设,极大方便了项目应用,减少了成本｡在光伏支架方面,国内一些先进公司采用了跟踪式光伏支架,此类支架在多点支撑设计､驱动装置优化､智能跟踪人工智能等方面取得成果[2]｡

1.3光伏支架结构设计

光伏支架结构的强度和稳定性是设计的关键,应与上下游专业密切配合｡在新建建筑上安装光伏系统,应考虑其光伏构件的选取及构件荷载的传递[3]｡在既有建筑上安装的光伏构件,应事先对既有建筑的结构设计､选材以及安装的位置进行复核,也要验算原安装部位的结构强度,还要对安装部分进行检测是否需要加固,验算构件强度不足时,一定要做好加固｡光伏结构设计应要求与建筑设计､总图设计､电气设计等相关专业密切结合,并应满足国家及当地地区现行标准､规范的要求｡

混凝土屋面布置光伏支架时,不得破坏原屋面防水,并应满足安全要求和设计要求,光伏支架受力结构应设在原屋面梁上｡若在彩钢瓦屋面布置支架,支架厂家须依据现场彩钢瓦瓦楞实际尺寸､型号进行夹具､导轨､压块等的细化设计后方可生产加工｡瓦型及波峰间距根据现场屋面情况确认,与彩钢板连接的夹具需与现场瓦型一致｡夹具内侧与彩钢瓦贴合度要好,彩钢板夹具抗拔承载力根据屋面高度的不同满足不同的抗拔承载力｡铝合金构件､连接件在使用过程中应定期检查与维护｡

2、基本规定

2.1一般规定

2.1.1设计原则

1)光伏支架的设计工作年限应为25年｡2)光伏支架结构宜按空间杆系结构进行整体分析,也可进行二维平面分析｡若进行二维计算,其建模和边界条件应与实际工程项目中的条件大致相同｡3)支架结构构件应与框架结构类似,需进行强度的验算;对受弯构件进行稳定分析和变形计算,应满足各种荷载状态下的承载力要求｡

2.1.2结构位移

光伏支架变形符合下列规定:

其中,Δs为在风荷载作用下的顶点水平位移;H为结构总高度｡

2.2荷载与荷载效应组合

2.2.1一般规定

根据NB/T10115—2018光伏支架结构设计规程[4]应符合《建筑结构荷载规范》[5]相关规定,光伏支架结构的基本风压的重现期应按25年确定｡

光伏支架基本雪压的确定与基本风压规定是一致的,应按《建筑结构荷载规范》的相关规定｡光伏支架的基本雪压､承载能力极限状态设计下应按25年重现期确定｡基本雪压应按附录E.1所要求的进行确定｡

以上分析,根据以往实际工程的案例,支架设计在承载能力极限状态下,采用R=25a的基本风压和基本雪压进行设计｡

2.2.2风荷载

计算垂直于构件表面的单位面积风荷载标准值ωk:

其中,ωk为单位面积风荷载标准值;βz可按照《建筑结构荷载规范》8.1.1的规定选用;μs可按NB/T10115—2018光伏支架结构设计规程表4.1.3-1进行计算选用;μz可按《建筑结构荷载规范》8.1.1取值,μz可取电池光伏板最高点高度;ω0为基本风压,kN/m2｡

2.2.3雪荷载

作用于光伏支架水平投影面上的雪荷载标准值如下:

其中,μr为屋面积雪分布系数,可按《建筑结构荷载规范》表6.2.1取值;S0为基本雪压｡

2.2.4荷载效应组合

光伏支架主要承受恒载､风荷载､雪荷载作用,不计算温度荷载作用,非主体结构地震作用可忽略不计｡基本组合应按荷载组合,取其最不利计算结果:

其中,Sd为荷载组合的效应设计值;γG为重力荷载的分项系数,应按《建筑与市政工程抗震通用规范》[6]的有关规定采用;SGK,SWK应按规范的有关规定采用;γw,γs可取1.5;ϕw,ϕs取值:当风荷载为控制作用的可变荷载时,ϕw值取1.0,ϕs值取0.7,当雪荷载为控制作用的可变荷载时,ϕs值取1.0,ϕw值取0.6｡

3、计算方法

一般情况下,光伏支架结构的计算要先假设一些基本条件,根据基本规定和设计原则,将实际工程中结构简化为一种二维平面的计算,根据力学分析进行光伏支架的承载力计算｡为了尽量减少平面计算方法的局限性所造成的计算误差,也宜进行三维空间计算,利用PKPM软件对支架进行整体三维分析[7]｡

本文通过二维和三维对光伏支架的结构设计进行验算,通过二维结构计算和PKPM三维计算分析光伏支架在主要风荷载､雪荷载等组合作用下的受力分析,实现了光伏支架的承载力计算[8]｡

4、工程实例

4.1工程概述

山东烟台某工程一包装仓库设计考虑屋顶预留太阳能光伏系统,系统由太阳能电池和光伏构件组成｡屋顶采用平屋面太阳能光伏系统,光伏构件不受遮挡的最小间距参考图集16J908-5,烟台当地太阳能高度角α=37°32′｡根据气电推荐厂家晶科提供的最新样本光伏组件尺寸单晶硅1956×992×35,组件质量为27.5kg｡构件材料选用Q235B钢｡根据工程项目报告,采用铝合金型材作为檩条(导轨)｡上部采用C型钢作为横梁,檩条与彩钢瓦屋面通过夹具连接｡檩条上敷设光伏组件,檩条与光伏组件通过铝合金压码或螺丝连接,见图1｡夹具内侧与彩钢瓦贴合度要好,瓦型及波峰间距根据现场屋面情况确认,与彩钢板连接的夹具需与现场瓦型一致｡

图1屋面支架安装大样

本工程支架采用桁架式固定支架[9],整个结构主要包括主梁､前立柱和后立柱以及檩条｡主梁截面为C型钢120×50×20×2.5,主梁长度为3.31m｡立柱截面为C型140×60×20×3.0,檩条截面为C100×50×15×2.5,檩条间距为1.324m｡

4.2荷载计算

本工程光伏支架主要研究恒载､风荷载和雪荷载的组合作用,不计算温度荷载作用,非主体结构地震作用可忽略不计｡每块光伏板自重27.5kg,整个光伏板总重9800N,檩条自重为4.106kg/m,主梁自重为4.694kg/m｡

4.2.1风荷载

根据式(2)得:

综合考虑近50年风压统计资料及规范的相关规定,本工程采用风荷载设计值如下:

ω0=0.45kN/m2(10年重现期),ω0=0.75kN/m2(100年重现期)｡

根据《建筑结构荷载规范》附录E.3.4,基本风压和雪压其他重现期R的相应值为:

25年重现期确定基本风压为:

离地面高20m位置A类地区,μz=1.52;βz=1.0｡μs计算根据《光伏发电站设计规范》6.8.7条取值[10],取μs=1.3｡

单位面积风荷载标准值:

4.2.2雪荷载

根据式(3),综合考虑近50年雪压统计资料及规范的相关规定,本工程采用雪荷载设计值如下:

其中,S0=0.30kN/m2(10年重现期),S0=0.45kN/m2(100年重现期)｡

25年重现期确定基本雪压为

4.3荷载组合

由荷载效应组合,本设计主要考虑各种荷载的组合如表1所示｡本工程项目,风荷载标准值大于雪荷载标准值,第一种工况为结构设计最不利情况,因此采用工况1进行支架的设计｡

表1荷载组合

4.4二维简化计算

如图2为光伏支架二维荷载计算简图,先对光伏支架进行二维平面计算｡通过二维结构计算,求解出支架受力计算如下｡图3为二维计算内力图｡表2,表3为结构节点约束反力和内力计算结果｡

图2支架二维荷载简图

图3支架二维受力图

表2支架两端约束反力计算

表3内力计算结果

根据上述计算结果,由公式σ=M/W计算得:

4.5三维计算方法

对比光伏支架二维简化计算,本工程采用国内常用三维软件PKPM对光伏支架进行计算分析,对两种计算方法的结果进行对比｡PKPM对主梁､前､后立柱建模受力分析,分析弯矩图和支架内力位移变形图,如图4,图5为PKPM三维计算模型图和支架内力位移图｡从以上可知工况1为结构设计最不利情况,因此采用该组合进行设计｡梁内力计算结果如表4所示｡

图4光伏支架PKPM三维计算模型

图5支架内力位移图

表4梁内力计算结果

由以上PKPM三维内力计算结果可知:梁Mmax=3.74kN·m=3740N·m｡

主梁:σ=Mmax/W=3740×103/4.701×104=79.56MPa≤215MPa,满足强度要求｡

前､后立柱顶部位移分别为1.9mm和1.4mm,均小于柱高/60,刚度满足设计要求｡

主梁挠度计算值小于L/250,挠度计算满足要求｡

通过上述分析,支架的强度和刚度均满足要求,光伏支架结构计算安全｡

5、结语

本文通过学习国家现有标准《建筑结构荷载规范》及《光伏支架结构设计规程》,分析光伏支架受力情况及其荷载组合效应,根据现有工程实例,采用二维平面计算和三维PKPM两种计算方法,得出以下结论:

1)第一种计算方法计算出的结果偏大｡分析其原因,可能是第一种计算方法只计算x,y两个正交方向的力,且没有弯矩｡而第二种计算方法受力情况比较复杂,空间与平面的差别,三维空间是x,y,z三个方向,合成之后受力计算分析,会产生弯矩,整体计算结果会偏小一些｡

2)二维计算简单便捷,计算结果偏大,一定程度上造成钢材浪费｡三维计算更偏向于实际工程,节约成本｡