光伏組件及支架荷載分析與優化安裝技術研究

摘 要：光伏發電技術是一種綠色可再生能源技術，基于太陽輻射量與光伏組件結構特征，構建光伏板斜面太陽輻射量計算模型，確定光伏組件最優安裝傾角。利用CFD法對光伏組件受不同風向角作用時風荷載變化情況進行分析，表明風向角在90°～170°，光伏面板CPN值為負，此時光伏面板結構受風荷載影響將產生向上的抬動變化；對光伏支架來說，凈風壓系數CPN值越大，其所受的應力及變形也越大，以此提出統一可調式光伏支架零部件種類及數量、減少用鋼量以及支架構件調節等措施，提高支架構件加工生產的效率，同時便于現場安裝。

關鍵詞：光伏組件；可調式支架；安裝傾角；風荷載；結構優化

中圖分類號：TU 39 " 文獻標志碼：A

光伏發電是使用新型半導體復合物質的光生伏特效應，直接把太陽光照射能轉換為電力。它是一種無污染、無噪聲、性能穩定、使用簡單、壽命長且易于大規模制造的可再生能源技術[1]。對光伏電站而言，光伏組件與支架是制約光伏發電效率的重要因素，由于受風荷載影響，采光傾角受影響較大，導致發電效率降低，同時，支架失穩也容易使設備有損毀風險。本文對光伏組件結構荷載進行分析，從而提出可調式光伏支架的結構優化措施，可為光伏電站建設項目提供參考。

1 光伏組件結構荷載分析

1.1 光伏組件最優安裝傾角分析

光伏組件結構所受荷載主要為風荷載，風速、風向以及光伏組件安裝傾角是對風荷載產生較大影響的主要因素[2]。其中風速、風向為非受控因素，因此確定光伏組件的最優安裝傾角，可為光伏組件結構的荷載分析奠定基礎，光伏組件結構如圖1所示。

決定光伏面板安裝角度的關鍵要素之一就是太陽光照強度，根據太陽光照強度及光伏模塊構造特性，建立評估光伏板太陽光照強度的計算模型。采用Klein等提出的基本理論及假設，光伏板表面的太陽光照強度由3個主要成分構成：來自太陽直射的光照強度、大氣中光線折射產生的光照強度及地面對光線的反射造成的光照強度[3]，其計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：HT為當光伏面板的斜面受到太陽光照時，其承受的光能強度；HBT、HDT、HRT分別為直射光線、天際漫反射和地表折射回來的光能；Rb為斜面上的太陽輻射能量與平面的比值；Hb為光伏模塊平面接收到的直射光強；Hd為平面上由天際產生的漫反射光強；α為光伏設備的安設角度；H為整個平面上所有太陽輻射的總量。

同時，根據三角函數關系，光伏組件的安裝傾角與組件結構之間的關系如公式（2）所示。

b·sinα=h-（h1+h2） " " " " " " " " " " " "（2）

式中：b為光伏面板斜面寬度；h為支架總高度；h1為支架基礎高度；h2為支架短肢高度。

聯立公式（1）和公式（2），得出光伏模塊按月計算太陽光照強度的模型，如公式（3）所示。

（3）

式中：j為月份。

通過調查敦煌市光電產業園10萬千瓦光伏電站建設項目場地光照氣象資源可知，項目建設地點位于甘肅省酒泉市敦煌市境內，當地4月—9月光照充裕，10月至次年3月光照一般。為了保證每月太陽輻射量達到最大，通過計算得到從4月至9月、10月至次年3月的平均最佳安裝角度和組件斜面最大光照量，見表1。根據計算結果可以看出，在各自時間段內，光伏組件的最優安裝角度分別為22°和58°。

1.2 不同風向角時光伏組件風荷載變化分析

當光伏組件受風荷載作用時，不同風向角對流場的變化影響較大。利用CFD法對光伏組件受到風向角為0°～180°時的表面壓力進行計算。根據結果以風壓系數為指標從而分析所受風荷載的變化情況。風壓系數計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Cp為無量綱的風壓系數；P為光伏組件壁面壓力；Ph為壓力；ρ為空氣密度；為平均風速。

根據光伏組件所受風荷載的實際情況，上壁面所受為正壓，定義風壓系數為正，下壁面所受為負壓，定義風壓系數為負，此時光伏組件所受的凈風壓系數的計算過程如公式（5）所示。

CPN=CPT-CPB " " " " " " " " " " " " （5）

式中：CPN為光伏組件所受的凈風壓系數；CPT為上壁面的風壓系數；CPB為下壁面的風壓系數。

將公式（4）代入公式（5），光伏組件的凈風壓系數表達式如公式（6）所示。

（6）

式中：PT、PB分別為光伏面板上壁面、下壁面所受壓力；FN為光伏組件受到的凈壓力。不同風向角時光伏組件的凈風壓系數變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，當風向角為0°～140°時，隨著角度增加，光伏面板受風面積逐漸縮小，凈風壓系數CPN整體降低。其中，當風向角為90°時，凈風壓系數約為0。當風向角為90°～170°時，光伏面板的凈風壓系數為負值，說明光伏面板結構受到風荷載影響將產生向上的抬動變化。因此，對光伏支架結構受力分析及施工過程中的重點應當考慮風向角為90°～170°的工況。

1.3 光伏支架受力及變形分析

通過有限元數值模擬，采用MIDAS建立光伏支架有限元模型，對支架在不同風向角工況下的受力及變形情況進行分析，結構模型如圖3所示。

通過有限元模型分析，支架應力及變形計算結果見表2。以風向角90°為例，光伏支架受力云圖如圖4所示。

由圖4及表2可知，當風向角為90°和170°時，光伏支架應力相對較小，風向角為140°時應力最大，最大值為6.49MPa，但整體均處于較低水平。最大變形值為1.6mm，對應的風向角為140°。由此可以看出，當光伏支架所受凈風壓系數凈風壓系數越大，其所受的應力及變形也越大。

2 可調式支架結構優化及安裝施工

2.1 可調式支架研究的必要性

光伏電站的選址通常在地廣人稀的山地或平原，為了保證光伏陣列面與地形相協調，傳統光伏支架立柱通常會對每榀支架進行獨立設計。首先，根據現場澆筑的立柱基礎，按編號逐一測定其頂面標高，其次，根據基礎標高計算每榀支架立柱高度，最后，再由工廠按編號進行加工。光伏陣列通常都是大面積布置，因此光伏支架數量非常多，同時施工場地地形復雜，如果支架立柱高度每榀單獨計算、設計、加工，就會增加施工周期以及工廠加工難度。

2.2 可調式支架結構優化

作為太陽能電池陣列支持結構的關鍵部分，光伏支架的性能通常會影響光伏系統的安全運行效率和建設成本[4]。預期的可調式光伏支架單元，需要其結構形式簡單，調節方式便于實現，調整支架的動力裝置可重復使用、循環作業。能適應當地的自然環境和地理條件，由于建設場地為沙丘地貌，因此支架需要有防風沙措施，保證不因風沙影響而出現調節問題。

零部件種類及數量：可調式光伏支架零部件（立柱、檁條、斜梁、斜撐、壓塊、連接件等）的數量和種類將會對其生產、安裝效率及施工成本產生重要影響。因此，支架除應當選用標準連接構件外，其他零部件應盡量統一規格。通過優化零部件，不僅便于工廠生產加工，提高加工效率，還可以節省現場安裝時間，提高安裝效率。

減少用鋼量：在支架結構設計階段，通過優化節段的長度，充分發揮構件調節性能，使利用率最大化，從而在保障支架結構的安全及保證可調性的情況下，減少支架用鋼量，益于施工成本控制[5]。

2.3 可調式支架安裝

可調式光伏支架表面應平整，固定太陽能板的支架面必須在同一平面，各組件并成一直線，傾角必須符合設計要求，必須擰緊構件連接螺栓。

安裝工藝流程：清理基礎面和清理預埋件→測量基礎面標高→支架開箱開包檢查→安裝立柱→立柱調整校正→安裝主梁→安裝橫梁→支架調平→組件開箱檢查→安裝組件→拉條安裝→檢查所有螺栓的擰緊度，并作標記。

復測預埋件無誤后，通過預埋定位螺栓固定立柱，連接時，用尼龍線拉通線進行找齊調平，并用鉛錘調整立柱的垂直度。支架立柱安裝無誤后，安裝主梁及橫梁。推桿安裝工序較為關鍵，應根據設計圖紙調整橫梁的傾角，橫梁傾角必須與設計一致，檢查傾角無誤后緊固螺栓。

3 結論

本文對光伏組件結構荷載進行分析，提出了可調式光伏支架的結構優化措施，研究結果如下。1）基于太陽輻射量與光伏組件結構特征，構建光伏面板斜面太陽輻射量計算模型，根據模型計算在4月至9月，光伏組件最優安裝傾角為22°；10月至次年3月，最優安裝傾角為58°。2）當風向角為90°時，光伏組件CPN值約為0；當風向角在90°～170°時，其CPN值為負值，此時光伏面板結構受到風荷載影響將向上抬動。對光伏支架而言，凈風壓系數CPN值越大，其所受的應力及變形也越大。3）通過統一可調式光伏支架零部件種類及數量、減少用鋼量以及支架構件調節等措施，實現工廠高效率加工生產，便于現場安裝，也益于施工成本控制。

參考文獻

[1]上官小英，常海青，梅華強.太陽能發電技術及其發展趨勢和展望[J].能源與節能，2019（3）：60-63.

[2]楊光，左得奇，侯克讓，等.中小跨度預應力柔性光伏支架風振響應分析及風振系數取值研究[J].電力勘測設計，2023（5）：28-33，43.

[3]劉政，王兵振，何改云，等.極區集成式光伏供電裝置結構設計與分析[J].工程設計學報，2022，29（4）：493-499.

[4]李天澍. 園區級多種可再生能源互補的分布式能源系統集成和性能研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2023.

[5]任龍.山地光伏電站關鍵設計技術研究[J].科技視界，2022（21）：53-55.