光伏電站支架連接節(jié)點探討

■ 買發(fā)軍 白榮麗 呂丹

(1.特變電工新疆新能源股份有限公司；2.中國船舶重工集團西安第七O五研究所海源測控技術(shù)有限公司)

0 引言

伴隨光伏發(fā)電電池組件的應(yīng)用發(fā)展，光伏組件固定支架從設(shè)計、生產(chǎn)到安裝均已向正規(guī)化、規(guī)模化方向發(fā)展[1]。然而，隨著光伏支架安裝規(guī)模不斷擴大，支架連接節(jié)點處零件損壞從而導(dǎo)致電池組件發(fā)生脫落的事故頻繁發(fā)生。本文以光伏電站工程案例為基準(zhǔn)，從設(shè)計角度出發(fā)，以荒漠電站光伏支架連接節(jié)點為研究對象對比分析，比較得出較優(yōu)連接節(jié)點安裝方案，確保光伏組件支架的安全、可靠。

1 項目概述

1.1 項目背景

柳樹泉100 MWp并網(wǎng)光伏電站項目位于新疆自治區(qū)哈密市西北約60 km的戈壁灘上。場址區(qū)域位于東經(jīng) 92°53′57.82′～96°56′42.64′、北緯 42°08′10.76′～43°07′44.72′之間，用地面積2980262.29 m2。總體呈矩形布置，南北長約800 m，東西長3725.34 m，擬建場址區(qū)地形平緩開闊，地勢平坦，地表由灰黑色棱角碎石覆蓋，呈戈壁景觀，有少量耐旱植被生長，海拔高程在938～987 m之間。場址區(qū)以南約3 km 為連霍高速G30，以西約2 km 分布有簡易公路，交通較為便利。哈密市深處內(nèi)陸，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，氣候干燥，雨量少而集中，蒸發(fā)強烈，冬冷夏熱，氣溫日差較大；日照時間長，光能豐富；無霜期短，冬春季風(fēng)沙天氣較多。年均氣溫10.3 ℃，極端高溫43.2 ℃，極端低溫-28.9 ℃；年均風(fēng)速1.5 m/s；年平均降水量42.7 mm；多年平均日照時數(shù)為3313.6 h，太陽能資源豐富，是建設(shè)光伏電站的理想場所。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1)場地土類型為中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類。

2)設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g，抗震設(shè)防烈度為VII度；特征周期0.40 s。

3)設(shè)計基本風(fēng)壓：0.60 kN/m2；設(shè)計基本雪壓：0.35 kN/m2。

4)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度127 cm。

5)根據(jù)地勘資料顯示，本次勘察結(jié)果8.0 m深度范圍內(nèi)未見地下水，因此設(shè)計時可不考慮地下水對基礎(chǔ)的影響。

2 組件固定連接節(jié)點分析

多晶硅電池組件廣泛應(yīng)用于荒漠電站建設(shè)中[2]，由于組件本身結(jié)構(gòu)形式的限制，現(xiàn)階段組件與支架的固定形式主要有以下3種：螺栓固定、壓塊固定、壓塊與抱箍組合固定[3]。

2.1 螺栓固定連接節(jié)點分析

一般情況下，多晶硅電池組件邊框上有4個φ9的安裝孔，可通過M8的螺栓將光伏組件鋁合金邊框與支架檁條連接固定。圖1為螺栓固定節(jié)點連接示意圖。

圖1 螺栓固定節(jié)點連接示意圖

目前光伏行業(yè)競爭越來越激烈，致使組件廠家將組件價格壓得越來越低，很多廠家為了在價格上顯出優(yōu)勢，從原材料環(huán)節(jié)降低投入，逐漸將組件鋁合金邊框減薄。因此，在考慮采用螺栓固定的連接方式前，必須保證廠家提供的光伏組件鋁合金邊框能夠滿足要求而不被撕裂，否則此種連接方式將存在很大的安全隱患，不建議采用此種連接方式。圖2為螺栓固定方式組件邊框撕裂示意圖。

圖2 螺栓固定方式組件邊框撕裂示意圖

2.2 壓塊固定連接節(jié)點分析

目前國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的壓塊形式有兩種，一種是U型壓塊，一種是π型壓塊。這兩種壓塊選用的材質(zhì)為鋁合金6063-T5，成本低廉、安裝簡便，因此廣泛應(yīng)用于光伏各項目中。圖3為U型壓塊、π型壓塊安裝示意圖。

根據(jù)了解到的工程實際情況，大部分支架廠家對其提供的壓塊承載力并不是很了解，在風(fēng)速較大地區(qū)和風(fēng)速較小地區(qū)統(tǒng)一采用同一種規(guī)格的壓塊，存在非常大的安全隱患。對于一些風(fēng)速較大的地區(qū)，如果采用U型壓塊和π型壓塊連接方式，一旦其中一塊電池組件發(fā)生脫落，其他電池組件將會發(fā)生連續(xù)脫落的現(xiàn)象。圖4為U型壓塊、π型壓塊安裝方式組件脫落示意圖。

圖3 U型壓塊、π型壓塊安裝示意圖

圖4 U型壓塊、π型壓塊安裝方式組件脫落示意圖

2.2.1 U型壓塊有限元分析

基本參數(shù)：單位mm；材質(zhì)為鋁合金6063-T5，質(zhì)量 0.03045 kg，體積 1.12782×10-5m3；設(shè)計基本風(fēng)壓為0.60 kN/m2；設(shè)計基本雪壓為0.35 kN/m2。

U型壓塊有限元模擬計算如圖5所示。

通過U型壓塊有限元分析計算，單個壓塊的設(shè)計承載力為0.5 kN。可取單個U型壓塊的承載力設(shè)計值為50 kg，即0.5 kN。

2.2.2 π型壓塊有限元分析

基本參數(shù)：單位mm；材質(zhì)為鋁合金6063-T5，質(zhì)量 0.03265 kg，體積 1.20928×10-5m3；設(shè)計基本風(fēng)壓為0.60 kN/m2；設(shè)計基本雪壓：0.35 kN/m2。

圖5 U型壓塊有限元模擬計算示意圖

π型壓塊有限元模擬計算如圖6所示。

圖6 π型壓塊有限元模擬計算示意圖

通過π型壓塊有限元分析計算，單個壓塊的設(shè)計承載力為0.5 kN。可取單個π型壓塊的承載力設(shè)計值為50 kg，即0.5 kN。

鑒于上述連接方式存在組件連續(xù)脫落的安全隱患，部分支架廠家通過優(yōu)化設(shè)計，采用改進后的TT型壓塊。此種壓塊在設(shè)計時將下端距支架結(jié)構(gòu)的距離設(shè)計為2 mm，如果一組支架中有1塊電池組件脫落，壓塊的“兩條腿”將發(fā)揮其作用，支撐在檁條上表面，不至于發(fā)生組件連環(huán)脫落的現(xiàn)象。因此，在風(fēng)速較大的地區(qū)，建議采用TT型壓塊。圖7為TT型壓塊安裝方式示意圖。

圖7 TT型壓塊安裝方式示意圖

2.2.3 TT型壓塊有限元分析

基本參數(shù)：單位mm；材質(zhì)為鋁合金6063-T5，質(zhì)量 0.0546 kg，體積 2.02258×10-5m3；設(shè)計基本風(fēng)壓為0.60 kN/m2；設(shè)計基本雪壓為0.35 kN/m2。

TT型壓塊有限元模擬計算如圖8所示。

圖8 TT型壓塊有限元模擬計算示意圖

通過TT型壓塊有限元分析計算，單個壓塊的設(shè)計承載力為2.0 kN。可取單個TT型壓塊的承載力設(shè)計值為100 kg，即1.0 kN。

2.2.4 單塊組件壓塊連接點受力分析

柳樹泉100 MWp項目位于哈密地區(qū)，根據(jù)GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]，哈密地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓為0.60 kN/m2。

由于組件背風(fēng)面受到的風(fēng)荷載最大，以1塊組件為研究對象，計算每塊組件背風(fēng)面受到的力。根據(jù)GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中公式8.1.1-1：

式中，βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓，kN/m2。

經(jīng)計算，wk=1.0×1.3×1.0×0.6=0.78 kN/m2。

單塊電池組件尺寸長為1.956 m，寬為0.992 m。因此，單塊組件最大受力為0.78×1.956×0.992=1.513 kN。單塊組件由4個壓塊固定，所以單個壓塊的最大受力為N=1.513/4=0.378 kN。

根據(jù)實際受力分析，單個壓塊的受力為0.378 kN，而單個壓塊的設(shè)計承載力分別為 U型壓塊0.5 kN、π型壓塊0.5 kN、TT型壓塊1.0 kN，均大于實際受力0.378 kN，滿足要求。綜上所述，采用TT型壓塊固定組件更為可靠。

然而對于一些風(fēng)速特別大的地區(qū)，以40 m/s的風(fēng)速計算，單個壓塊的最大受力為0.6985 kN。若采用U型壓塊或π型壓塊， 最大設(shè)計承載力為0.5 kN，不能滿足要求；若采用TT型壓塊，最大設(shè)計承載力為1.0 kN，能夠滿足要求。但為了規(guī)避一些不可預(yù)見的風(fēng)險，通常在風(fēng)速特別大的地區(qū)，采用TT型壓塊與抱箍組合固定的連接方式。雖然此種連接方式連接件的成本較高，但就光伏電站支架的安全性與經(jīng)濟性的矛盾而言，安全性是第一位。因此，通過對比分析，采用TT型壓塊與抱箍組合固定的連接方式可作為一種優(yōu)選方案供支架設(shè)計選用。圖9為壓塊與抱箍組合固定連接方式示意圖。

圖9 壓塊與抱箍組合固定連接方式示意圖

3 結(jié)束語

綜上所述，組件與支架連接節(jié)點處，主要是由于不同地區(qū)風(fēng)速差異較大但選用的連接方式基本相同，未進行針對性設(shè)計，導(dǎo)致組件脫落現(xiàn)象發(fā)生。通過上述對比分析可看出，壓塊與抱箍組合的固定方式連接可靠性最好，但連接件成本及安裝費用相對其他兩種方式偏高。因此，光伏電站設(shè)計中應(yīng)綜合考慮安全、成本等各方面原因，根據(jù)項目現(xiàn)場實際情況合理選擇組件固定方式，在保證組件固定安全可靠的前提下，達到成本最優(yōu)的目的。另外，由于組件鋁邊框的撕裂導(dǎo)致組件脫落對光伏電站影響也較大，因此，不同地區(qū)光伏電站在進行組件設(shè)計選型時，應(yīng)酌情考慮組件邊框的抗風(fēng)強度應(yīng)達到當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓要求。

[1]GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB 50794-2012，光伏發(fā)電站施工規(guī)范[S].

[3]GB 50017-2012，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB 5009-2012，筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].