太阳能电池阵列用支架设计基础

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1、太阳能电池阵列用支架设计基础 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，结构设计时吧允许 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。 1. 假想荷重 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，还有温度荷重，但是除了焊接结构的 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。 1固定荷重（G） 。组件质量（GM）和支撑物等质量（GK）的总和 2风压荷重（W） 。加在组件上的风压力(WM)和加在支撑物上的风压力（WK）的总 和（矢量和） 3.积雪荷重（S） 。与组件面垂直的积雪荷重 4

2、.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 5.6 所示。多雪地区的荷重组合，把积雪荷重设为平 时的 70，暴风时及地震时设为 35。 表 5.6 荷重的条件和组合 荷重条件 一般地方 多雪区域 长期 平时 G G+0.7S 积雪时 G+S G+S 暴风时 G+W G+0.35S+W 短期 地震时 G+K G+0.35S+K 多雪区域是指地面垂直积雪高度在 1m 以上的区域 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（也称为风荷重） 。电池阵列中因风引起的损坏多数在强风时发

3、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 作用也阵列的风压荷重由下式算出： W=CW*q*AW (5.5) 式中 W风压荷重（N） CW风力系数 q设计用速度压（N/M） AW受风面积（m）(投影面积或有效面积，与安装角度有关) 1 （2）设计时的速度压 设计时的速度压由下式算出： q=q0*a*I*J (5.6) 式中 q设计用的速度压（N/M） q0基准速度压（N/M） a高度补偿系数 I用途系数 J环境系数 对于设计速度压， 建筑物高度 16m 以下的部分用q=60*h计算， 超过 16m 的部分则用式 q=120* 4 h计算， 1

4、基准速度压。设定基准高度 10m 由下式算出 q0= 2 1 *p*V02 (5.7) 式中q0基准速度压（N/M） P空气密度风速（N.S/m4） V0设计用基准（m/s） 空气的密度在夏天和冬天不一样，从安全的角度考虑取数值大的冬天的 1.274 N.S/m4。 设计用基础风速取在太阳能电池阵列的安装场所，地上高度 10m 处，在 50 年内再现的 最大瞬时风速。 2 高度补正正系数。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： a=（ h0 h ）n 1 (5.8) 式中a高度补正系数 h阵列的地面以上高度 h0基准地面以上高度 10m 2 n表示因

5、高度递增变化的程度，5 为标准 3用途系数。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 5.7） 。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 5.7 用途系数 用途系数 太阳能光伏发电系统的用途 1.15 1极重要的太阳能光伏发电系统 1.0 2普通的太阳能光伏发电系统 0.85 3短时间或者1以外的系统， 且太阳能电池阵列在地面以上高度 2m 以 下的场所 4 环境系数。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 5.8） 。阵列的安装场所设定为在地面以上高度 6m 以下 表 5.8 环境系数 环境系数

6、建筑地点的周围地形状况 1.15 如海面一样基本没有障碍物的平坦地域 0.90 树木，低层房屋（楼房）分布的平坦的地域 0.70 树木，低层房屋密集的地域，或者中层建筑物（4-9 层）分布的地域 根据周围的情况风速增加时另外考虑 （3）风力系数 1.组件的风力系数。风力系数除通过风洞实验确定以外，还基于建筑标准确定。若是 图 5.40 所示的安装形式的场合，可采用图示数据 图 5.40 风力系数 安装形态 顺风 逆风 备注 支架为数个的场合，周 围的端部的风力系数取 左边值，中央部的风力 系数取左边的一半 地面安装型 Cw（正压） Cw（负压） 在左边没有标注的 角的C （单独） w由下式求得

7、： 0.79 15 0.94 （正压）0.65+0.009 0.87 30 1.18 （负压）0.71+0.16 1.06 45 1.43 其中，1545 屋顶脊梁处有突起部分 的场合，左边的负压值 的 2 1 也可 屋顶安装型 左边没有的Cw Cw（正压） Cw（负压） 由下式 求得 0.75 12 0.45 （正压）0.95+0.017 0.61 20 0.40 0.49 27 0.08 （负压）-0.10+0.077 -0.0026 3 其中，1227 图 5.41 骨架的风力系数 0.5 0.5 0.3 0.3 1.21.61.61.6 2支撑物构成材料的风力系数有风洞实验得出，取值范

8、围：1-2，一般取 1.6 如 5.41 所示 3 积雪荷重 设计时的积雪荷重由下式算出 S=C *P*Z *A (5.9) SSS (1) 坡度系数 坡度系数CS由表 5.9 确定 表 5.9 坡度系数 积雪面的坡度 坡度系数CS 60 0 （2）雪的平均单位质量 雪的平均单位质量是指积雪厚度为 1cm，面积为 1m的质量。一般的地方为 19.6N 以 上，多雪的区域为 29.4N 以上。 （3）积雪量 太阳能电池阵列面的设计用积雪量设定为地上垂直最深的积雪量（ZS）,但是，经常 扫雪而积雪量减少的场合，根据状况可以减少ZS值。 4 4 地震荷重 设计用地震荷重的计算，一般的地方由式（5.1

9、0） ，多雪的区域由式（5.11）计算 K=C1*G （5.10） K=C1*(G+0.35S) （5.11） 式中 K地震荷重（N） C1地震层抗剪系数 G固定荷重（N） S积雪荷重（N） 地震层抗剪系数：C1 地震层抗剪系数由下式计算 C1=Z*R*A*C（5.12） ti0 式中：C1地震层抗剪系数 Z地震地域系数 R振动特性系数 t 层抗剪分布系数 Ai C0标准抗剪系数（0.2 以上） 这里，Z，Rt，Ai，C0 数值由查表得知 5 5.材料及其允许应力 （1）材料的选定 太阳能电池阵列用支架的构成材料， 除特别的场合外， 一般使用符合 JIS 标准 （日本国标） 的钢材，铝合金或者

10、与此等同质量的材料（见表 5.10） 表 5.10 支撑物构成才的例子 编号 名称 标准序列号 JIS G 3101 普通结构用轧制钢材 SS400(SS41),SS490(SS50),SS540(SS55) JIS G 3106 焊接结构用轧制钢材 SM400(SM41),SM490(SM50),SM520(SM53) SMA400(SMA41),SMA490(SMA50), JIS G 3114 焊接结构耐侯性热轧制钢材 SMA520(SMA58) SGH340,SGH400,SGH440,SGH4590,SGH540, JIS G 3302 热浸镀锌钢板及带钢 SGC340,SGC400

11、,SGC440,SGC490 JIS G 3350 普通结构用轻轧钢 SSC400(SSC41) STK400(STK41),STK490(STK50) JIS G 3444 普通结构用碳素钢钢管 STK500(STK51),STK540(STK55) JIS G 3466 普通结构用角型钢管 STKR400(STKR41),STKR490(STKR) JIS G 4100 铝及铝合金拉伸材料 A6063S 注： （）表示旧标准序列号。 国标对应材料表 编号 名称 标准序列号 普通结构用轧制钢材 焊接结构用轧制钢材 焊接结构耐侯性热轧制钢材 热浸镀锌钢板及带钢 普通结构用轻轧钢 普通结构用碳素

12、钢钢管 普通结构用角型钢管 铝及铝合金拉伸材料 （2）许用应力 1.结构用钢材。对于长期荷重的设计应力的结构用钢材许用应力度以下列各项为标准， 短期荷重对于设计应力则以下列各项的 1.5 倍作为标准。 （？） a.允许拉伸张力度：Y/1.5 (5.13) 0.7 B/1.5 以下 b.允许压缩应力度：Y/1.5 (5.14) c.允许弯曲应力度：Y/1.5 (5.15) 6 d.允许剪切应力度：Y/1.5 3 (5.16) 3 Y/1.5 以下 e.允许支承应力度：1.1*Y （5.17） 这里Y材料的屈服点应力（N/cm） B材料的拉伸张力（N/cm） 2结构用铝合金。 对于长期荷重的设计应

13、力， 结构用铝合金的许用应力度以以下各项作 为标准，短期荷重的设计应力则以下列各项的 1.5 倍作为标准。 （？） a. 允许张力应力度：0.2/1.5 （5.18） （5*B/6）/（1/1.5）以下 3b.允许剪切应力度：0.2/1.5 (5.19) 3 （5*B/6）/（1/1.5）以下 c.允许压缩应力度：0.2/1.5 （5.20） （5*B/6）/（1/1.5）以下 d.允许弯曲应力度：0.2/1.5 （5.21） （5*B/6）/（1/1.5）以下 e允许支承应力度：栓销及接触部分0.2/1.1 （5.22） （5*B/6）/（1/1.1）以下 滑动支撑部分或滚动支撑部分 1.9

14、*0.2 （5.23） 这里0.2表示最小屈服值（N/c） 。 3螺栓。螺栓的允许应力度根据上述1或者2的允许应力度。 4焊接。电弧焊接焊接缝的截面的允许应力度以下面各项为标准： a. 对焊接接头的允许应力度，看作为被接合母材的允许拉伸张力度。 b. 角度焊接的允许应力度，看作是被接合母材的允许剪切应力度。 c. 焊接不同钢材的场合，其允许应力度取被接合母材的允许应力度中最小的值。 d. 铝合金因弧焊退火强度降低。 支架所使用的材料厚度几乎为 16 以下，普通使用的材料的允许应力度如表 5.11 所示。允许应力度是材料的屈服点应力除以 1.5 的值作为标准。 表 5.11 材料的允许应力度 条

15、件 压缩 拉伸 弯曲 剪切 支承 长期 16170 16170 16170 16170 16170 钢材 SS400 短期 24500 24500 24500 24500 24500 长期 - 11760 - 8820 29400 螺栓 SS400 短期 - 17640 - 13230 44100 铝合金长期 7154 7154 7154 4116 9800 7 6063-t5 短期 10780 10780 10780 6272 14700 太阳能电池阵列用支架强度计算 在太阳能电池阵列用的支架设计时， 为了使其成为能承受各种荷重的支架， 要考 虑用什么样的材料，且用多少，再根据计算确定强度。这里，以