浅谈光伏电站固定式光伏支架设计

邓兵　郑素

摘要：固定式光伏支架系统主要承载着光伏组件的重量、风荷载、雪荷载，其对光伏电站的安全和质量起到决定性作用，在此基于光伏支架设计的项目经验，探讨固定式光伏支架的设计，并对各种支架设计中存在的问题进行分析。

关键词：光伏电站;光伏支架;设计要求

前言

中央财经委员会第九次会议，重点指出，“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动。在此背景下，光伏发电这一清洁能源迎来了历史性的发展机遇，建设光伏发电站离不开光伏支架系统的辅助，其中大型的光伏地面电站离不开大量的固定式光伏支架系统。固定式光伏支架是一种承载光伏组件重量、抵抗风荷载、雪荷载的支架结构体系。一般材质有铝合金、不锈钢、镀锌碳钢、镀铝镁锌碳钢、耐候钢、镀镁铝锌碳钢、镀镁铝锌低合金高强度钢等。固定式光伏支架系统分为：分布式光伏系统支架（光伏系统附着在建筑物上的一种发电系统）、地面式光伏系统支架。分布式光伏系统支架：一般安装在屋面、光伏幕墙面、栏杆面。因为建筑物的形式多种多样，光伏组件布置各不相同，其支架系统具有很强的多样性，常用的配件形式有斜撑，立柱，固定连接件（三向连接件，檩托，檩条连接件，抗拔连接件等）。支座一般与既有建筑的承重构件相连接，或者能平稳放置在屋面上，起到承重和抗拔的作用。地面式光伏系统支架：根据地形环境的不同可分为平地式光伏、山地式光伏、水面光伏三大类。光伏系统的结构形式一般分为固定式支架和柔性支架，基础形式一般为预制管桩、灌注桩、独立柱基础等。常用的地面地面电站的光伏支架配件有前后斜撑，立柱，檩条，拉条，固定连接件（抱箍，檩托，檩条连接件，三角连接件等）

1分布式光伏系统支架设计的一般步骤和注意事项：

1.1分布式光伏系统支架设计的一般步骤

a.现场踏勘，保证设计输入条件的准确性（主要是对屋面施工条件，具体光伏支架布置场地大小，屋面障碍物排查清楚），对既有建筑，如果能找到原始蓝图最佳;b.如果是既有建筑，要對其相关部位（例如屋顶梁板）进行荷载核算，判断能否承受光伏系统的重量及风吸作用下的抗拔验算;c.确定光伏组件阵列排布方式，预留检修施工操作面;组件排布方式有多组阵列组合分布，全屋面平铺布置等方式。多组阵列组合分布方式，可使用常用阵列支架先进行排布，多余空缺位置再用不同规格阵列填补，设计和生产效率比较高。全屋面平铺式需要根据建筑物特点，配合建筑造型，先进行支架方案设计。此类型屋面光伏系统为特定型产品，设计生产效率较慢，但造型较为美观。d.将主要的着力点（支座、混凝土压块、抗拔连接件等）尽量布置在建筑物主体结构的梁柱上;e.风荷载、雪荷载、恒荷载（支架组件荷载）、混凝土压块恒荷载的统计;风荷载计算Wk=W0×βz×μs×μz，其中风荷载体型系数取值根据《光伏支架结构设计规程》中要求取相应参数;雪荷载Sk=S0×μr;其中雪荷载体型系数取值根据《光伏支架结构设计规程》中要求取相应参数;组件恒荷载G=支架重量+组件重量;（组件重量一般取值为1.2～1.8KN/m2）混凝土压块重量根据算的风荷载吸力值进行取值;f.根据实际情况选择合适的支架材质、考虑25年材料的耐久性，结构形式及连接方式;g.对支架整体进行力学模型验算，选择符合规范及满足力学性能的构件，并对关键连接节点进行验算。

1.2分布式光伏系统支架设计时的注意事项

a.不同的屋面高度或光伏幕墙高度，一定要考虑风荷载的高度修正系数。在不同高度根据规范要求选取合适的高度修正系数，进行风荷载计算。b.结合原有建筑的施工条件和材料运输条件，拟定合理的杆件长度和重量。如果现场没有合适的吊装条件，杆件长度不合适会增加施工难度，甚至导致现场无法吊装。c.光伏支架的安装角度和高度，要考虑既有建筑的广告牌、女儿墙，以及屋面其他障碍物的遮挡。d.光伏支架系统的排布要考虑后期检修及巡检的通道。e.光伏支架系统的排布设计不得影响既有建筑的排水系统，不得破坏既有建筑的保温隔热层。f.支架和檩条挠度变形应控制不大于1/250，是由于光伏组件的材料较脆弱，变形过大容易导致安装过程中使组件破裂，另外变形也会导致整体光伏系统的不美观。g.光伏支架的安装高度以及外观与当地规划局要求高度是否有冲突，需要提前协商好。h.当支架支座采用混凝土配重块时，支座处相对于已有建筑表面应有足够的摩擦力，严禁支座产生滑移。支座滑移会导致支架结构变形严重。

2地面式光伏系统支架设计的一般步骤和注意事项

2.1地面式光伏系统支架设计的一般步骤

a.根据地勘报告及现场踏勘情况，结合组件的安装角度和安装高度、当地的风压雪压、保证基础承载力和稳定性的情况下，设计合理的基础形式;b.根据光伏组件的排布及安装角度统计荷载，计算并选择合理的支架形式;c.设计安装简便，满足受力要求、经济可靠的连接节点;d.光伏组件与支架的连接，要根据组件型号的不同，安装角度的不同，来选择可靠且安装简便的连接方式（压块连接、螺栓连接、螺钉连接等）;e.整个支架系统的方案设计要考虑其能消化土建基础施工误差的形式;是由于桩基施工可能会存在偏位，标高过高过低的问题，支架杆件需要设计成可调节，便于消化土建基础施工的误差。f.根据实际情况选择合适的支架材质，需要考虑25年的耐久性。因为根据规范要求光伏支架的使用年限为25年，材料选择应符合规范要求。g.对支架进行整体的力学模型验算，选择符合规范及满足力学性能的构件，并对关键连接节点进行验算;

2.2地面式光伏系统支架设计时的注意事项

a.根据《光伏支架结构设计规程》规范要求，基础承载力和稳定性计算需要按50年一遇的基本风压和雪压进行验算，支架承载力和稳定变形的计算可以按25年一遇的基本风压和雪压进行验算。b.光伏支架整体计算时可以按《光伏支架结构设计规范》中的风荷载整体体型系数进行计算，计算檩条时要考虑风荷载局部体型系数增大的影响。c.光伏支架的设计要考虑安装的简便和消化土建施工、配件制作误差（如杆件开孔的正负误差以及连接的配件开孔的正负公差）的能力。d.不同的地质环境、路网环境，设计时候要考虑构件的大小是否方便搬运及二次转运。e.光伏支架的节点设计时尽可能的将配件进行归并，考虑配件的通用性，整理成标准配件，对设计生产施工更加友好。

3结语

现在国际能源形式相对严峻，太阳能发电能源作为一种新的绿色能源正在备受关注和加以利用。随着全国以及全世界范围内推广建设光伏发电系统，光伏支架的设计实施是其中必不可少的环节。为了确保光伏系统的正常运行，光伏支架应该在各个不同环境、工况下满足不发生变形、破坏的要求。本文结合实际项目经验，针对两种固定式光伏支架的设计过程以及设计注意事项进行阐述，使光伏支架设计更好的应用于实际项目中。

参考文献：

[1]代松.太阳能光伏组件的设计选型[J].环球市场信息导报，2011.01.

[2]周颖.光伏电站支架及基础设计[J]中国科技信息，2014.02.