可靠性+经济性 光伏支架如何安装设计？

　　一、引言

　　光伏系统安装结构是光伏电站长期、稳定、安全运行的重要保障。光伏支架素有撑起整个光伏系统的美喻。本文重点介绍了光伏系统中多种典型安装结构，从保证系统发电量、安全性、结构稳定性和可靠性等方面进行分析，提出了光伏系统安装支架设计或选用中应重点关注的问题，并提出理论力学分析、有限元分析和试验测试分析多种优化

　　二、典型安装结构应用介绍

　　本文主要从安装场合进行分类，根据多年来光伏电站建设的实际情况，光伏系统多安装于以下场合：

　　2.1瓦屋顶安装系统（含陶瓷瓦、石板瓦、沥青瓦等类型）

　　瓦屋顶安装系统一般为居民户用系统，尤以欧美、英国、澳洲等发达国家的别墅住宅和国内高端别墅和农村住宅为主。此类安装系统的单量一般较小，多为2KW~10KW的小系统。瓦屋顶的安装需根据房屋的构造（瓦形、支撑梁的材质及跨距、坡度等）、气象如风压、雪压等信息进行设计。图1中所示的安装结构和弯钩配件可以适用国内外多数的瓦屋顶安装。

　　2.2彩钢瓦屋顶安装系统（含梯形瓦、角驰型、直立锁边型）

　　彩钢瓦屋顶安装系统以工业厂房居多，在工业园区较为普遍。此安装的结构形式如图2所示，不同的彩钢瓦瓦型可以选用不同的安装支撑或夹具，应该优先选用夹具夹持的安装结构形式，该结构安装方便，不破坏屋面，无漏水问题。

　　图1瓦屋顶主要安装结构形式及常用弯钩配件图2彩钢瓦屋顶主要安装结构形式及常用支撑配件

　　2.3钢筋混泥土平屋顶安装系统

　　混凝土平屋顶安装系统也主要以工业厂房居多。此类屋顶多采用不破坏屋面的配载式安装形式，通过荷载计算确定需配载的重量，采用开槽式水泥压块或配载托盘进行压载固定，此结构形式如图3所示。图4和5给出了天合光能自主开发的拥有自主知识产权的集成安装支架的一体化组件和双向支架产品，一体化组件产品具有以下显著特点：（1）革新的创意，支架预安装；（2）更少的配件，更简单的物流；（3）快速安装，操作简易；（4）自带接地连接。

　　图3平屋顶常用安装结构形式图 4天合光能集成安装的一体化组件图 5双向安装支架系统

　　2.4地面安装系统

　　地面安装系统以大型光伏电站为主，多规划建设于太阳能资源丰富地区的沙漠、戈壁、荒地等非耕用土地上。大型地面光伏电站支架形式有固定式、单轴跟踪式、双轴跟踪式。采用跟踪式对系统发电量增益明显，但占用面积大、造价、运营维护成本高，综合考虑经济性仍以固定式安装形式为主。图6中给出了常用的地面安装形式。由于篇幅原因，就不在此展开跟踪式的讨论。

　　（a）螺旋桩式 （b）水泥基础式 （c）插装式

　　图6常用的地面安装结构形式

　　三、系统安装支架结构设计及选用关键技术

　　光伏安装支架首先需保证适合于安装场合，尽可能与安装环境有机的融为一体，在保证安装牢固、可靠、稳定的同时，尽可能美观。

　　3.1适用性要求

　　前面介绍到光伏系统可以安装于多种场合，不同的场合和环境，甚至同一类的安装系统，根据不同的屋顶构造、周围环境、气象信息等都会要求采用不同的安装结构，因此，需对安装现场进行详细的现场勘查以设计采用与光伏系统最匹配的结构形式。

　　3.2强度、刚度、稳定性和可靠性要求

　　结构设计应满足强度、刚度、稳定性的要求，设计使用年限不应小于25年。可靠性直接影响系统的发电量进而影响投资收益，而25年的使用寿命对系统的可靠性提出了较高的要求，这需要系统在恶劣的气候如暴风雨、暴雪甚至地震、洪水等自然灾害发生时仍能稳定、可靠的运行。同时要避免出现材料过早老化、腐蚀严重等问题。安装结构的强度、刚度及稳定性设计需按所受荷载效应组合（自重、风荷载、雪荷载、检修荷载等组合）中最不利的情况进行设计。

　　3.3发电量保证与经济性要求

　　光伏系统设计中，组件安装倾角与间距是两个非常重要的参数，直接影响系统的发电量。安装倾角和方位角一般由所在地的纬度和安装场合的特点决定，安装倾角和间距一般遵循在冬至日的9：00～15：00组件不被遮挡的原则进行设计。天合光能小系统技术部在实际工程设计中通过采用RETScreen、PVSYST等专业软件对不同倾角的系统发电量、系统费用、占地面积（占地费用）等进行综合的经济性评估以求获得最佳的收益从而确定最佳的安装倾角。☞☞中国各省市光伏电站最佳安装倾角及发电量速查表

　　3.4建筑安全性要求

　　安装于建筑屋面的光伏系统在设计和建设过程中需注意以下问题：（1）需对建筑的承载力进行核算，确认是否可以安装或需进行加固后再安装；（2）应避免破坏屋面的原防水层，如破坏时，需重新进行防水处理，确保无漏水问题，设计中应优先选用不破坏屋面的形式；（3）光伏阵列应避免跨越建筑的伸缩缝、沉降缝、变形缝进行安装，以避免建筑物发生变形位移时造成组件漏电、脱落等故障；（4）光伏组件作为阳台围护安装时，需满足相关建筑规范要求，如中层、高层住宅的阳台栏板不应低于1.1m；（5）平行于屋面安装时，应留有足够的通风和散热间隙，通风散热不畅会对系统发电量有所影响；（6）光伏安装结构的设计和选用应考虑施工的安全性和便捷性，尤其是高空和复杂的屋顶安装系统需特别考虑。

　　四、结构性能分析

　　光伏系统无论是安装在什么场合，均需保证支架本身的抗风、雪等性能，为了保证光伏系统在25年的使用寿命期内安全、可靠地运行，避免出现阵列倒塌、被掀翻等问题，需对安装结构进行承载能力、刚度、稳定性的校核和验算。

　　4.1理论力学分析

　　目前针对光伏安装结构荷载计算的规范尚未形成。一般可按照《建筑结构荷载规范》中的要求进行核算。此规范中关于风荷载和雪荷载的计算公式分别为：wk=βz*μs*μz*wo和sk=μr*so，具体分析计算中还需考虑系数的准确选取和不同荷载的有效组合以确定最不利的受力情况。

　　式中：wk为风荷载标准值（kN/m2）；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；wo为基本风压（kN/m2）；sk为雪荷载标准值（kN/m2）；μr为屋面积雪分布系数；so为基本雪压（kN/m2）。

　　4.2有限元软件分析

　　支架结构分析可以采用结构分析软件PKPM或SAP2000进行优化校核，也可以采用ANSYS、ABQUS等FEA分析软件进行校核。图7中给出的是某项目安装支架结构的SAP2000分析模型和结果图，图8中给出了利用ANSYS进行零配件校核的示例图。

　　4.3试验测试分析

　　通常可以进行以下实验测试校核安装结构的性能：（1）通过化学成分检测确保所用材料的质量；（2）采用膜厚仪对热浸锌钢膜厚和铝合金阳极氧化膜厚进行测试，确保产品具有足够的抗腐蚀性能；（3）通过盐雾试验对材质的抗腐蚀性能做进一步的测试，确保25年的使用寿命；（4）通过抗拉拔力测试可以测试安装配件抗正风压的拉拔力，确保安装系统的可靠性；（5）通过风洞试验可以准确获得安装结构的风荷载体型系数，可以准确的核算出支架的承载能力，但风洞试验成本较高，因此在实际光伏支架设计中应用较少，在一些新产品的开发中可能会用到。

　　五、结语

　　光伏电站建设初期，光伏支架产品没有受到应有的重视，随着安装量的增加，问题逐渐暴漏出来，给项目工程造成了巨大的损失。从长远来看，提高安装支架的性能和质量可以使系统25年安全、可靠地运行，相信这对于保证投资效益的最大化是非常必要和正确的。本文提出的支架设计中应关注的问题以及结构优化核算方法可以有效的使光伏系统安装结构达到可靠性和经济性的完美统一。