固定可調(diào)式光伏支架力學(xué)性能的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和健康監(jiān)測(cè)

宮宇飛 喬學(xué) 谷帥 羅曉群

摘要：為研究真實(shí)環(huán)境下光伏支架的力學(xué)性能，以烏海四道泉光伏電站為研究對(duì)象，采用足尺加載試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法考察固定可調(diào)式光伏支架在設(shè)計(jì)載荷下和正常使用中的受力特性。在光伏支架陣列中選取1個(gè)支架單元進(jìn)行加載試驗(yàn)，考察關(guān)鍵位置的撓度和應(yīng)變，并與數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比;在光伏陣列中選取不同位置的5個(gè)支架單元設(shè)置結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏組件的風(fēng)環(huán)境、表面風(fēng)壓和關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變，并與數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：光伏支架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷下和正常使用中的受力性能良好。

關(guān)鍵詞：光伏支架;足尺加載試驗(yàn);健康監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2019）01-0040-06

0 引 言

光伏支架是光伏發(fā)電面板的支承結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)的光伏支架結(jié)構(gòu)形式主要有5種：固定式、固定可調(diào)式、平單軸跟蹤式、斜單軸跟蹤式和雙軸跟蹤式。[1]跟蹤式光伏支架雖然調(diào)整方式靈活，理論發(fā)電效率高，但初期投資、維護(hù)費(fèi)用較高，損壞風(fēng)險(xiǎn)大。[2]固定可調(diào)式光伏支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在不同季節(jié)調(diào)整合適的傾角，發(fā)電效率較高，應(yīng)用廣泛。[3-5]

隨著新能源光伏發(fā)電的發(fā)展，光伏支架的經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越得到重視，設(shè)計(jì)和研究更輕、更經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)更合理的光伏支架成為必然趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)在參數(shù)優(yōu)化[6]和穩(wěn)定設(shè)計(jì)[7]等諸多方面對(duì)光伏支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究;國(guó)外學(xué)者也從拓?fù)?、截面、控制算法等[8-9]方面研究光伏支架的優(yōu)化問(wèn)題。

光伏支架結(jié)構(gòu)輕盈，風(fēng)載荷起控制作用，因此有必要研究真實(shí)環(huán)境下的光伏支架力學(xué)性能。在內(nèi)蒙古烏海市四道泉光伏電站，采用現(xiàn)場(chǎng)足尺加載試驗(yàn)的方式驗(yàn)證固定可調(diào)式光伏支架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷下的力學(xué)性能，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)手段[10]，選取光伏陣列中典型位置布置結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)光伏支架陣列的實(shí)際力學(xué)性能。

1 工程概況

實(shí)測(cè)場(chǎng)地為烏海四道泉20 MW光伏發(fā)電站，場(chǎng)址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市巴音陶亥鎮(zhèn)境內(nèi)。該試驗(yàn)的研究對(duì)象為單個(gè)光伏支架單元，上覆10塊光伏組件，呈2×5排布，支架材料為Q235B結(jié)構(gòu)鋼。支架結(jié)構(gòu)主要由2根立柱、2根主梁和4根導(dǎo)軌構(gòu)成，主梁與立柱之間用連接板相連，光伏組件用壓塊和螺栓固定在導(dǎo)軌上。施加在光伏組件表面的載荷傳力路徑為光伏組件→導(dǎo)軌→主梁→立柱。光伏支架結(jié)構(gòu)和尺寸見(jiàn)圖1，構(gòu)件尺寸見(jiàn)表1。

支架單元上的電池板尺寸為5 040 mm×3 300 mm，傾角為20°或55°。加載試驗(yàn)在20°傾角下進(jìn)行，考察結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷下的力學(xué)性能;健康監(jiān)測(cè)在55°傾角下進(jìn)行，監(jiān)測(cè)光伏支架所處風(fēng)環(huán)境、表面風(fēng)壓和關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)變等內(nèi)容。

2 加載方法和裝置

2.1 加載方法

在光伏支架現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)中，載荷包括恒載荷、風(fēng)載荷和雪載荷，采用沙袋堆載的方式模擬。風(fēng)載荷垂直于板面，設(shè)置加載架吊掛沙袋以消除平行于板面方向的分量。加載架形式和實(shí)際加載情況分別見(jiàn)圖2和3。

2.2 載荷設(shè)計(jì)

2.2.1 恒載荷

在試驗(yàn)支架上安裝光伏組件。

2.2.2 雪載荷

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012），雪載荷取當(dāng)?shù)?5 a重現(xiàn)期的基本雪壓。[11]在試驗(yàn)地區(qū)重現(xiàn)期25 a的情況下，基本雪壓為0.17 kN/m2，傾角20°時(shí)雪載荷分布因數(shù)為1[12]。

2.2.3 風(fēng)載荷

在試驗(yàn)地區(qū)重現(xiàn)期25 a的情況下，基本風(fēng)壓為0.47 kN/m2。[6]板面傾角為20°時(shí)，下半段風(fēng)載荷體型因數(shù)為1.35，上半段風(fēng)載荷體型因數(shù)為0.55，風(fēng)載荷高度因數(shù)取1.0，風(fēng)振因數(shù)取1.0。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載模擬的載荷組合為1.2×恒載荷+1.4×0.6×雪載荷+1.4×風(fēng)載荷。模擬雪載荷的沙袋質(zhì)量為238 kg，模擬風(fēng)載荷的沙袋質(zhì)量為1 040 kg。

3 測(cè)點(diǎn)布置

3.1 試驗(yàn)儀器布置

3.1.1 位移計(jì)布置

在主梁和導(dǎo)軌端部對(duì)稱(chēng)布置位移計(jì)，測(cè)量主梁和導(dǎo)軌的撓度，梁上共布置4個(gè)位移計(jì)。在2根立柱中部布置2個(gè)正交的位移計(jì)，測(cè)量立柱的側(cè)移，立柱共布置4個(gè)位移計(jì)。位移計(jì)布置的位置和對(duì)應(yīng)通道號(hào)見(jiàn)圖4。

3.1.2 應(yīng)變片布置

在主梁靠近立柱的上、下表面對(duì)稱(chēng)布置應(yīng)變片，梁上共布置4個(gè)應(yīng)變片。在立柱靠近柱腳的位置對(duì)稱(chēng)布置應(yīng)變片，立柱上共布置4個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)變片布置的位置和對(duì)應(yīng)通道號(hào)見(jiàn)圖5。

3.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

光伏陣列中測(cè)量支架單元的位置和編號(hào)見(jiàn)圖6。在陣列的東、南、西、北、中等5個(gè)方位各選取1個(gè)光伏支架單元（編號(hào)依次為23，27，25，26，24）布置監(jiān)測(cè)儀器。為供電方便，5個(gè)方位支架單元分別選在11號(hào)、9號(hào)、4號(hào)、15號(hào)和13號(hào)方陣的配電室附近。在5個(gè)支架處都布置風(fēng)壓傳感器和應(yīng)變計(jì)，風(fēng)速、風(fēng)向儀布置在13號(hào)配電室屋頂。

風(fēng)壓傳感器布置在光伏板板面的正、反2面。每個(gè)支架單元布置4個(gè)，正、反各2個(gè)，共20個(gè)風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)，安裝傳感器并采集設(shè)備箱照片。各方陣的風(fēng)壓傳感器及其安裝位置見(jiàn)圖7。

應(yīng)變計(jì)安裝在光伏支架主梁的上、下表面和立柱的前、后表面，每個(gè)支架單元有4個(gè)應(yīng)變計(jì)，共有20個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變計(jì)和風(fēng)速、風(fēng)向儀在支架上的安裝位置見(jiàn)圖8。監(jiān)測(cè)設(shè)備及其主要技術(shù)參數(shù)分別見(jiàn)圖9和表2。

4 實(shí)測(cè)與分析討論

4.1 試驗(yàn)與數(shù)值分析對(duì)比

光伏支架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型載荷包括2組：一組施加規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)載荷;另一組施加沙袋堆載，板的下半部分施加載荷852 kg，上半部分施加載荷426 kg。2組載荷的位移和彎矩分別見(jiàn)圖10和11，數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)值的對(duì)比分別見(jiàn)表3和4。數(shù)值模擬和試驗(yàn)值的誤差均在10%以?xún)?nèi)。

4.2 監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的分析對(duì)比

監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017年11月21日至2018年1月15日。監(jiān)測(cè)期間站場(chǎng)的風(fēng)速和風(fēng)向變化見(jiàn)圖12：風(fēng)速最小值為0.19 m/s，最大值為9.62 m/s;風(fēng)向數(shù)據(jù)正北方向?yàn)?°，數(shù)值順時(shí)針增加，監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)風(fēng)向變化范圍為59.65°～292.51°。四道泉光伏電站所在的地區(qū)50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為550 Pa，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為29.70 m/s，監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的最大風(fēng)速僅為設(shè)計(jì)風(fēng)速的1/3。

監(jiān)測(cè)期間5個(gè)光伏支架單元的風(fēng)壓變化見(jiàn)圖13，最大風(fēng)壓變化范圍約為-181～190 Pa。該地區(qū)50 a重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為550 Pa。監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)光伏組件表面的最大風(fēng)壓小于設(shè)計(jì)風(fēng)壓。

將應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力，監(jiān)測(cè)期間應(yīng)力變化范圍為-23.8～21.1 MPa，結(jié)構(gòu)在安全許可范圍內(nèi)，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全要求。

建立55°傾角的光伏支架模型。在監(jiān)測(cè)期間，光伏支架結(jié)構(gòu)承受的載荷主要是恒載荷和風(fēng)載荷。計(jì)算模型上施加的風(fēng)壓取監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的最大風(fēng)壓189 Pa，風(fēng)載荷體型因數(shù)取1.30。

取僅含有恒載荷和風(fēng)載荷的組合：1.2×恒載荷+1.4×風(fēng)壓載荷;1.2×恒載荷+1.4×風(fēng)吸載荷。

傾角55°光伏支架的計(jì)算模型及載荷組合1和組合2的彎矩見(jiàn)圖14。主梁的最大彎矩出現(xiàn)在載荷組合1中，最大應(yīng)力比為0.146，相應(yīng)的應(yīng)力值為34.3 MPa;立柱的最大彎矩出現(xiàn)在載荷組合2中，最大應(yīng)力比為0.256，相應(yīng)的應(yīng)力值為60.6 MPa。當(dāng)監(jiān)測(cè)期間風(fēng)壓變化幅度為±189 Pa時(shí)，梁應(yīng)力變化范圍在±34.3 MPa以?xún)?nèi)，立柱應(yīng)力變化范圍在±60.6 MPa以?xún)?nèi)。

監(jiān)測(cè)期間風(fēng)壓變化范圍為-181～190 Pa，梁應(yīng)力變化范圍為-23.8～21.1 MPa，在±34.3 MPa以?xún)?nèi)，與數(shù)值模擬的推斷相符。

5 結(jié) 論

針對(duì)光伏支架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和實(shí)際性能，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)足尺加載試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。將試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型在測(cè)點(diǎn)處的位移和應(yīng)變與現(xiàn)場(chǎng)加載的實(shí)測(cè)值相比，誤差均在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明支架結(jié)構(gòu)的受力特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值模型相符，采用此數(shù)值模型設(shè)計(jì)的光伏支架結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值、沙袋堆載數(shù)值模型和設(shè)計(jì)模型在測(cè)點(diǎn)處的位移和應(yīng)變誤差均在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明試驗(yàn)堆載方式可等效模擬加載方式，光伏支架結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)方法與數(shù)值模型的受力特性一致。

（3）監(jiān)測(cè)期間的風(fēng)速較小，結(jié)構(gòu)所處的風(fēng)環(huán)境是安全的;監(jiān)測(cè)期間風(fēng)向變化較大，使各風(fēng)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值出現(xiàn)正、負(fù)值變化;監(jiān)測(cè)期間光伏組件表面風(fēng)壓值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)風(fēng)壓，結(jié)構(gòu)在安全范圍內(nèi)。

（4）根據(jù)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)期間光伏支架構(gòu)件應(yīng)力的變化范圍與數(shù)值模擬相符，且結(jié)構(gòu)各點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)限度，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全要求。

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（編輯 武曉英）