基地级光伏电站固定支架结构的优化设计研究

赵云

【摘要】党的十八大以来，我国大力推动能源绿色发展，积极壮大清洁能源产业，推动能源清洁高效利用，不断释放创新发展动能，有效促进了经济社会高质量发展。近年我国光伏行业高速发展，根据国家能源局发布的数据，截止2023年6月底我国光伏电站装机容量达到4.7亿千瓦，2022年新增装机容量为0.874亿千瓦，2023年上半年新增装机容量为0.78亿千瓦。随着光伏行业的高速发展，光伏电站的建设和运营面临着诸多技术挑战和经济压力。其中，光伏支架结构作为光伏电站的重要组成部分，对电站的经济性和安全性有着重要的影响。目前，国内外基地级光伏电站普遍采用碳钢结构支架，但由于材料成本和施工难度等因素，这种支架结构存在一些问题，如重量大、易锈蚀、易变形等。因此，如何优化光伏支架结构，降低成本和提高安全性成为当前研究的热点问题。

【关键词】光伏电站；固定支架结构；优化设计

1. 引言

光伏电站因其具有清洁、安全、无噪音、无排放等优点，成为可再生能源的主要来源之一。根据十四五规划和国家“碳达峰、碳中和”的要求，光伏电站趋向于大型化、集中化，各省市光伏基地项目已成为国家能源战略的重要组成部分。基地级光伏电站的支架结构是保证其正常发电的关键之一。其主要功能是支撑光伏组件，并能承受风压、雪压和自重等多种荷载组合作用，确保光伏电站的安全运行。通过对基地级光伏电站固定支架结构的分析和优化设计，降低成本和提高安全性，为光伏电站的建设和运营提供技术支持和参考。

2. 相关理论和简介

2.1光伏电站简介

光伏电站是利用光伏发电技术将太阳辐射能直接转化为电能的发电设施，是目前应用最广泛的清洁能源发电方式之一。光伏电站按照规模可以分为小型、中型和大型光伏电站，其中大型光伏电站即基地级光伏电站一般规模在500MW以上。

2.2光伏电站支架结构的特点

基地级光伏电站固定支架结构具有以下特点：（1）光伏支架结构需要承受光伏组件的重量、风荷载和雪荷载等外部荷载，要具有足够的强度和刚度；（2）支架结构需要考虑防腐和耐久性等问题，以提高光伏电站的使用寿命；（3）支架结构的变形需满足组件的使用功能需求；（4）基地级光伏电站由于占地面积大，地形较为复杂，边缘地带或者角部区域的风荷载会比中间区域大，需针对地形情况对不利位置的光伏支架进行加强设计；（5）支架结构设计需考虑具有调节高差或错位的能力。

2.3光伏电站支架结构的分类

光伏电站支架结构的种类较多，常见的有固定支架、跟踪支架、柔性支架等，简介如下：

（1）固定支架结构：是目前光伏电站中应用最广泛的一种支架结构。该结构由钢材制成，具有重量轻、安装方便、抗风能力强等优点。固定支架结构分为单立柱式、双立柱式等不同方案，根据不同的地形条件和设计要求进行选择。

（2）跟踪支架结构：是一个独立的机电控制系统，包括控制器、驱动和传动机构、钢结构等。跟踪支架主要有单轴和双轴两种，其中单轴分为平单轴和斜单轴，目前市场上以平单轴为主。

（3）柔性支架结构：是一种大跨度多连跨结构，主要包含高强度低松弛混合稀土合金镀层预应力钢绞线、钢梁、撑杆、预应力锚杆、铝合金索具等。。

3. 现有光伏电站固定支架结构的缺陷分析

虽然现有的光伏电站支架结构已经具有一定的稳定性和安全性，但在实际应用中仍存在一些问题：

3.1支架结构设计缺陷

现有的光伏支架设计时可能会未对特殊地形处风荷载针对性加强设计，比如边缘、角部地带的风荷载可能会较大，该处的光伏固定支架应做加强设计，尤其是要考虑到风荷载局部体形系数影响下各构件局部承压计算。还有处于山坡坡顶边缘的支架，该处会存在较大的向上卷起的风荷载，该处支架应特殊处理。

3.2现有支架结构施工缺陷

光伏支架结构在运输、卸货、搬运、安装过程中易发生碰撞、变形的现象，由于檩条设计跨度一般为4米左右，实际生产的单根檩条长度在6~8米，檩条堆放时不规范可能会导致檩条截面弯曲、变形。支架安装过程中，施工人员可能会在檩条上吊挂脚踏板，3~4名工人站在踏板上安装组件，此种操作可能会导致檩条出现变形。

4. 基地级光伏电站支架结构优化设计
   1. 理论计算

光伏固定支架一般利用PKPM软件钢结构二维设计支架模块计算单榀支架，可设计出支架结构的立柱、斜撑、斜梁构件。同时需考虑风荷载局部体形系数影响下各构件局部承压计算，主要复核立柱、斜撑和斜梁构件的腹板厚度和连接螺栓规格。同时根据PKPM软件钢结构工具箱模块计算檩条，确定檩条的截面尺寸和材质。

4.2提高钢号降低钢材用量

固定支架结构的立柱、斜梁、斜撑和檩条等主要构件可通过提高钢材钢号的方法，降低截面规格，减少用钢量。目前比较主流的方案是斜梁、檩条采用Q420B、Q460B或Q550B材质薄壁卷边C型钢，立柱与斜撑可选用Q420B材质薄壁卷边C型钢或圆钢管。其余的次要连接件如抱箍、檩条连接件、柱间支撑等构件可采用Q235B材质钢材。

4.3减小边跨檩条的跨度

固定支架结构的檩条一般设计为连续檩条，跨度相同，根据连续檩条特性，两边边跨的内力比中间跨大，由于光伏支架的特性檩条截面尺寸一般设计为同一种尺寸，不作差异化设计，所以檩条的截面尺寸一般由边跨的内力确定，造成中间跨檩条截面有富余。根据这种情况，可以考虑减小两边边跨的跨度，调整至边跨檩条的截面内力跟中间跨接近，可有效降低檩条的用钢量。

4.4采用镀锌铝镁材料防腐

光伏固定支架一般采用热镀锌防腐，热镀锌防腐的缺陷较为明显，在材料运输、吊卸、搬运、安装过程中易发生碰撞导致镀锌层破损，破损处易发生锈蚀，电站投入运行后支架锈蚀修补的工作量较大，是光伏电站的通病。固定支架可采用镀锌铝镁材料，该材料的防腐性能有较大的优势，具有自修复功能，能够解决材料运输、吊卸、搬运、安装过程中易发生碰撞破损的问题，运行期不需要大量的修补工作。且该材料的成本比热镀锌材料低。

4.5组件固定螺栓采用不锈钢螺栓

组件固定螺栓一般为M8螺栓，以往光伏电站组件固定螺栓采用热镀锌螺栓，由于M8螺栓直径小，开丝处较薄，在开丝处的热镀锌层厚度往往达不到设计要求，易发生锈蚀现象，电站运行期会出现大量的螺栓锈蚀修补现象。当把组件固定螺栓改为不锈钢螺栓，可大量减少后期修补的工作。

4.6固定支架可调节性设计

由于固定支架基础施工可能会存在高差现象，支架设计时可考虑可调节高差，一般会在立柱处设计调节高差。例如当光伏支架基础为灌注桩基础时，在基础内预埋套管，套管与基础内钢筋笼焊接固定，套管高出基础顶面一般为50cm，立柱插入套管内通过3根顶丝和1根对穿螺栓固定，立柱插入套管内的长度可根据基础顶面的实际高度调节。

固定支架的螺栓孔可设计为长圆孔，方便现场安装时调节错位偏差。另外会在立柱与斜梁、立柱与斜撑等连接节点部位，开3个长圆孔，在斜梁腹板与斜撑连接处开多个长圆孔，方便斜撑安装。

4.7加强支架结构的维护和保养

在日常运营中，应加强对支架的维护和保养，定期检查支架的材料、连接件和焊接处的状况，发现问题及时修复，避免小问题演变成大问题，从而增加了后期的运维成本。

4.8完善施工方案和管理制度

在制定完善施工方案时，应该注重施工人员的安全和操作规范。对于重量较大、结构复杂的支架，可以采用机械化安装和拆卸，降低施工人员的伤害风险。同时，可以建立严格的操作规范和检查制度，保证支架安装和拆卸过程中的安全和有效性。

5. 结语

未来，可以进一步探索优化设计方法的改进和完善，如采用更加高效的多目标优化算法、优化变量的扩展和优化目标的优化等。同时，还可以结合实际工程项目，开展更加系统和全面的优化设计研究，为光伏电站支架结构的优化设计提供更加科学和有效的方法和技术支持。

【参考文献】

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[2]李若毅,李硕. 大型光伏电站支架结构的优化设计研究[J].建材发展导向（上）,2017,15(11):326.

[3]罗珊,陈冬冬,陈国良,等. 大型光伏电站支架结构的优化设计研究[J].科教导刊-电子版（上旬）,2013(8):149.