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1、光伏支架小结0综述根据德国的统计数据，在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，而太阳能光伏支架的投资仅占总成本的3%左右。因此，相对于太阳能电站高额的投资，支架成本的波动并不是敏感因素，选择高端支架的成本仅提高不足1%，然而如果选用的支架不合适，后期养护成本会大大增加，整体考虑并不合算。 任何类型的太阳能光伏组件装配部件，最重要的特征之一是耐候性。需保证25年内结构必须牢固可靠，能承受如环境侵蚀，风、雪荷载和其它外部效应。安全可靠的安装，以最小的安装成本达到最大的使用效果、几乎免维护、可靠的维修、可回收，这些都是做选择方案时所需要考虑的重要因素。目前一些支架企业应用
2、了高耐磨材料以抵抗风力雪荷载和其它腐蚀作用，综合利用了铝合金阳极氧化，超厚热镀锌，不锈钢，抗UV老化等技术工艺来保证阳能支架和太阳能跟踪的使用寿命。1光伏支架常见形式光伏支架具有多种分类方式，如按照连接方式分为焊接式和组装式，按照安装结构分为固定式和逐日式，按照安装地点分为地面式和屋面式等。无论哪种光伏系统，其支架构成大体相似，都包括连接件、立柱、龙骨、横梁、辅助件等部分。1.1固定式光伏支架 固定式光伏支架，顾名思义，是指安装之后方位、角度等保持不变的支架系统。固定安装方式直接将太阳能光伏组件朝向低纬度地区放置（与地面成一定的角度），以串并联的方式组成太阳能光伏阵列，从而达到太阳能光伏发电的
3、目的。其固定方式有多种，如地面固定方式就有桩基法（直接埋入法）、混凝土块配重法、预埋法、地锚法等，屋面固定方式随屋面材料不同而有不同的方案。图1地面支架固定方式太阳能电池阵列的支架，通常由从钢筋混凝土基础中伸出的钢制热浸镀锌的加工品或者不锈钢制地脚螺栓来固定。在房屋屋顶上采用混凝土基础的场合，将房屋的防水层揭开一部分，剥掉混凝土表面在天井的钢筋上把阵列用的混凝土座的钢筋焊接在一起。不能焊接钢筋时，为了借助混凝土的附着力和自重对抗风压，使混凝土底座表面凹凸不平使附着力加大。之后，用防水填充剂进行二次防水处理。如果上述方法也不能实施时,可在防水层上敷设比较贵的硅胶等耐候性缓冲材料，在其上安装热浸镀
4、锌的重量大的钢骨架，然后在钢骨架上固定阵列支架。钢骨架是用塑料螺栓连接在房上周围突出的压檐墙上目的是风压不致使阵列及钢骨架移动。起辅助强化作用。1.1.1屋面光伏系统支架 屋面光伏支架所安装的环境包括坡屋面、平屋面，安装时需顺应屋面环境，不破坏固有结构及自防水系统，屋面材料包括琉璃瓦、彩钢瓦、油毡瓦、混凝土面等。针对不同的屋面材料采用不同的支架方案。 屋面按倾斜角度分为坡面和平面两种，所以屋面光伏系统的倾斜角度有多种选择，对于坡屋面通常采用平铺的方式顺应屋顶坡度布置，也可以采用与屋顶成一定倾角的布置方式，但是这种做法相对比较复杂，案例较少；对于平屋面则有平铺和倾斜一定角度两种选择。针对不同的屋
5、面材料，会有不同的支架系统。1）琉璃瓦屋面支架如图1所示，琉璃瓦为碱土、紫砂等软硬质原料经过挤制、塑压后烧制而成的建筑材料，材质脆，承重能力差。在安装支架时一般采用特殊设计的主支撑构件与琉璃瓦下层屋面固定，来支撑支架主梁及横梁，支撑构件如连接板等通常设计成如图2中所示的多开孔样式，灵活有效实现支架位置调整。组件与横梁之间采用铝合金压块压接。图2琉璃瓦屋面、主支撑构件机组件固定压块2）彩钢瓦屋面支架彩钢板是薄钢板经冷压或冷轧成型的钢材。钢板采用有机涂层薄钢板（或称彩色钢板）、镀锌薄钢板、防腐薄钢板(含石棉沥青层)或其他薄钢板等。压型钢板具有单位重量轻、强度高、抗震性能好、施工快速、外形美观等优点
6、，是良好的建筑材料和构件，主要用于围护结构、楼板，也可用于其他构筑物。屋面彩钢瓦一般分为：直立锁边型、咬口型（角驰式）型、卡扣型（暗扣式）型、固定件连接（明钉式）型。直立锁边型 咬口型（角驰式）卡口（暗扣式）型 固定件连接（明钉式）型 在彩钢瓦屋面安装光伏系统时，要充分考虑彩钢瓦形制及其承重能力，以确定支架固定方式。彩钢瓦屋面支架固定方式主要根据彩钢瓦形制而定，如图4所示：地面支架固定方式图4彩钢瓦屋面支架固定方式3）混凝土屋面支架 混凝土屋面光伏支架一般为固定倾角的固定方式，也可以采用平铺方式布置。该型屋面固定方式主要为混凝土基础和标准化固定连接件固定，分为现浇型和预浇型两种方式。 混凝土屋
7、面上现浇矩型基础，适时合屋面承载小、风荷载高的地区和屋面；如下图所示：1矩形基础与屋面用化学锚栓连接；2矩形基础上安装标准化的固定连接件；3.支架与组件组装。图5混凝土屋面现浇矩形基础混凝土屋面上放置预浇矩形基础，适合屋面承载小、风荷载小的地区和屋面；矩形基础上预制标准化的固定连接件。图6混凝土屋面预浇矩形基础1.1.2地面光伏系统 地面光伏系统是指安装地点选择在户外开阔地面的光伏系统，常见大型地面光伏系统的支架固定方式随着地质、环境、气候等因素而不同。一般采用混凝土条形（块状）基础形式（特殊地基情况需要咨询专业土力学设计人员），也可以采用桩基式、地锚式（如图1）等方式。图7螺旋桩基图1中所示
8、的四种不同基础形式可以根据实际情况选择，其中混凝土块配重和预埋件的方法经常应用于屋顶太阳能建设或改造，这样可以有效避免破坏屋顶防水层等结构；地锚法和直埋式常用于太阳能电站的建设中，具有稳固、可靠性高的特点。根据施工经验，地锚法施工基础最为牢固，安全性最高，但是地锚与太阳能光伏支架连接部位需要特别定做，造价很高。相比之下，直埋式施工简便，只需要使用开孔机在现场开孔并灌注混凝土，在混凝土未凝固之前将槽钢直接插入孔中即可，但是与地锚法相比，直埋式基础对现场土壤的自立性要求较高，需要进行前期的地质勘测试验。当然，在地质情况非常有保障的情况下，也可以不做前期的地质勘探。太阳能光伏支架主、次梁的排布方式主
9、要取决于电池板的安放方法。总的来说，由于电况允许的前提下，直埋法显然优于地锚法。1.2跟踪式光伏支架 当太阳光线垂直于电池面板时，太阳能接收到的太阳能最大，发电功率也最高。但是地球时时刻刻都在进行公转和自转，因此太阳光线角度是时刻都在发生变化的。而固定支架，因为电池面板是固定的，因此不能保证尽量让太阳光线垂直电池面板，不能充分利用太阳能。因此跟踪系统是尽量去对准太阳，使太阳光线在电池面板单位面积的接收到的太阳光线更多，从而增加发电量。目前而言，跟踪系统包括单周跟踪系统与双轴跟踪系统两大类，单轴跟踪系统又分为水平单轴跟踪系统和斜单轴跟踪系统。1.2.1水平单轴跟踪 如图8所示，水平单轴跟踪适合在
10、低纬度地区，通常跟踪太阳的高度角来提高太阳光线在电池面板的垂直分量来提高其发电量。水平单轴跟踪系统，不是单纯跟踪太阳高度角，而是采取一套复杂的计算算法，使得其太阳光线在电池面板的垂直分量最大化，来控制其运动角度。这样最大化的增大了光伏发电量。水平单轴跟踪一般相对于固定支架能增加20%到30%之间。图8水平单轴跟踪示意图1.2.2斜单轴跟踪 斜单轴适合于纬度高于30度以上，通过转轴的倾斜角补偿纬度角。，然后在转轴方向跟踪太阳高度角，从而达到更好的增大光伏发电量。一般相对于固定支架可以增加发电量25%到35%之间。1.2.3双轴跟踪双轴跟踪，有两个转轴同时运动，这样可以保证太阳电池板始终垂直于太阳
11、光线，因此双轴跟踪提升太阳发电效率最高。可以提高35%-45%。2载荷计算 将太阳能电池阵列安装在地面上或者房屋屋顶上，以及住宅的平屋顶上的场合，首先打好牢固的地基，然后再作支架设计。支架(支持物)大部分都是钢结构。支架是安装从下端到上端高度为4m以下的太阳能电池阵列时使用。结构设计时把允许应力设计作为基本，设计用的荷重是以等价静态荷重为前提。到现在为止关于太阳能电池阵列的支架没有设计标准，如果作为电气设备考虑的场合，按照送电支撑物设计标准，如果作为建筑物考虑，则按照建筑法、建筑物荷重等。但是，这些标准在设计对象和设计方法的考虑中存在一些差异，不适合称为太阳能电池阵列的设计标准。2.1假想荷重
12、作为太阳能电池阵列用支架结构设计时的假想荷重，有持久作用的固定荷重和自然界外力的风压荷重、积雪荷重及地震荷重等。此外，也有因温度变化产生的“温度荷重”，但是在除了焊接结构的长部件以外的支撑物中，与其他荷重相比很小，因此忽略不计。固定荷重(G)。组件质量(M G)和支撑物等质量(K G)的总和。风压荷重(W)。加在组件上的风压力(M W)和加在支撑物上的风压力(K W)的总和(矢量和)。积雪荷重(S)。与组件面垂直的积雪荷重。地震荷重(K)。加在支撑物上的水平地震力(在钢结构支架中地震荷重一般比风压荷重要小)荷重条件和荷重组合如表1所示。多雪地区的荷重组合，把积雪荷重设为平时的70%，暴风时及地
13、震时设为35%。表1荷重的条件和组合荷重条件一般地方多雪地区长期平时GG0.7S短期积雪时GSGS暴风雨时GWG0.35SW地震时GKG0.35SW2.2风压荷重在设计太阳能电池阵列安装用支架结构时，在假想荷重中最大的荷重一般是风压荷重。在电池阵列中因风引起的损坏多数在强风时发生。这里规定的风压荷重只适用于防止因强风导致的破坏为目的的设计。(1)设计时的风压荷重作用于阵列的风压荷重：W=CWqAW式中W是风压荷重(N)；CW是风力系数；q设计用速度压(N/m2)；AW是受风面积(m2)。(2)设计时的速度压设计时的速度压：q=q0IJ式中q是设计用的速度压(N/m2)；q0是基准速度压(N/m
14、2)；是高度补偿系数；I是用途系数；J是环境系数。对于设计速度压q，一般应按照如下准则计算:对于地上16m以下和16m以上场合的速度压算式应按照如下准则计算：地上16m以下的场合: 60；地上16m以上的场合: 1204。这里，h为地面以上的高度。在地面31m以上安装的场合，风力系数规定为1.5以上。基准速度压q0。设定基准高度10m，由下式算出：q0= 0.5V02式中q0是基准速度压(N/m2)；是空气密度风速(Ns2/m4)；V0是设计用基准(m/s)。空气的密度在夏天和冬天不一样，从安全角度考虑取数值大的冬天的值1.274Ns2/m4。设计用基准风速取在太阳能电池阵列的安装场所，地上高
15、度10m处，在50年内再现的最大瞬时风速。高度补正系数。随地面以上的高度不同，速度压也不同，因此要进行高度补正。高度补正系数由下式算出:=,式中是高度补正系数；h是阵列的地面以上高度；h0是基准地面以上高度l0m；n是表示因高度递增变化的程度，5为标准。用途系数I。是与太阳能光伏发电系统的用途重要程度对应的系数(参见表2)。通常，太阳能光伏发电系统的风速的设计用再现期限设为50年，这相当于用途系数1.0。表2 用途系数用途系数太阳能光伏发电系统的用途1.15极重要的太阳能光伏发电系统1.0普通的太阳能光伏发电系统0.85短时间系统，且阵列位于地面以上高度为2m以下场合环境系数J。是与太阳能电池阵列的安装场所的地形和建筑物情况等对应的系数(参见表3)。阵列的安装场所设定为在地面以上高度6m以下。表3环境系数环境系数建设地点周围地形等状态1.15如海平面一样基本没有障
