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1、柔性光伏支架结构研究1. 引言在全球能源枯竭问题越来越严重的情况下，太阳能作为一种可再生的绿色清洁能源，越来越瞩目， 太阳能能源在我国能源结构中的所占比重也越来越高1 2 3。并且随着 2020 年我国在联合国大会上提出了“双碳”目标，光伏发电项目作为有效实现“双碳”政策的一项重要措施，其发展也越来越迅速4。 目前，光伏发电系统用的较多的支撑系统主要分为两类，一类是活动式支撑系统，一类是固定式支撑系统，其中前者主要用于可以对太阳位置进行跟踪的发电系统，而在建筑上用得较少，因此，这里主要讨论适用于建筑中的最为普遍的固定式支撑系统5 6。固定式支撑系统根据其结构材料类别可以分为传统刚性光伏支架结构
2、和新型柔性光伏支架结构。目前，传统光伏支架多建设于荒漠、戈壁等占地面积大、平整度高的场地，在地形条件较差的区域建设难度大，因而建设发展受限于土地资源，如图 1 所示。由于传统的地面刚性光伏支架具有一定的场地限制性，近年来一种由预应力拉索体系所组成的大跨度柔性光伏支架结构正得到越来越多的应用7。新系统采用悬索来承受光伏组件的负载，具有适应复杂地形条件、占地面积小、场地适应性强的特点，如图 2 所示。它为公路、农场、污水处理厂和鱼塘等特殊场所的传统结构提供了良好的补充8。柔性光伏支架已被提议取代传统的梁支撑光伏组件，但由于柔性组件刚度较小、自重轻、跨度大，受风致效应明显， 所以比较关键的问题是抗风
3、设计。因此，本文对新型柔性光伏支架系统进行概述，并总结了近年来关于柔性光伏支架的结构设计模型、风致效应等相关研究的文章，并进行总结综述，为后续研究提供参考。2. 柔性光伏支架结构设计相关研究2.1. 光伏支架结构概述固定式光伏支架结构根据支架不同可以分为传统的刚性支架和柔性光伏支架。传统的刚性支架主要由刚性材料如铝合金、钢材、复合材料等来支撑起整个光伏面板，如图 1 所示，根据使用场地可以分为地面式光伏支架、建筑上光伏支架、水上光伏支架、船舶上光伏支架等9。但由于支撑材质的重量及承载方式决定了传统刚性支架的适宜跨度过小，受场地限制明显。柔性光伏支架指的是由柔性承重索、钢立柱、钢斜柱或斜拉索、钢
4、梁及基础组成的一种支架，其包含的主要构件如图 3 所示，具有结构简单、材料使用较少、质量轻、建设周期短等传统支架所缺乏的优点10。柔性光伏支架的承重索采用钢绞线等柔性组件，此类柔性组件具有弹性模量大、松弛率低、强度 高等优点，能够进行大跨度张拉，从而规避场地的起伏等不利因素11 12。柔性光伏支架结构根据承载索结构体系的不同可以分为单层悬索结构、双层悬索结构、张弦梁结构。Figure 1. Traditional photovoltaic support system图 1. 传统光伏支架系统Figure 2. New flexible photovoltaic support system
5、13图 2. 新型柔性光伏支架系统13Figure 3. System decomposition of flexible photovoltaic support structure图 3. 柔性光伏支架结构系统分解柔性光伏支架根据光伏组件支撑结构材质的不同大概可以分为以下四类，如表 1 所示。Table 1. Classification and characteristics of flexible photovoltaic supports表 1. 柔性光伏支架分类及特征类别光伏组件支撑特征I 钢丝绳适用于大跨度、高净空的场景，由于钢丝绳预应力不足，会导致变形过大，风载下易发生光伏组件
6、扭转、导致光伏组件损伤。II 钢绞线预应力在承受外荷载允许，但平面外抗扭刚度不足，风载下易发生组件变形不均匀， 存在隐裂隐患。III 双层预应力索结构、排间连杆光伏组件变形可控制，面外抗扭刚度充足，前后关联性强，适用于平地项目，但工程造价偏高。IV 预应力镀锌钢绞线抵抗外荷载能力大幅提升，跨中的柔索抗风系统使抗风性能提高。2.2. 柔性光伏支架结构设计计算模型柔性光伏支架计算模型大概可以分为力学简化设计模型以及有限元分析模型两种。设计软件和通用有限元软件需根据实际工程采用整体模型进行计算，此模型为精细化计算模型13。牛斌建立了单层索、索桁架的力学简化模型，分析了结构的受力特称，对比了两者的不足
7、。利用SAP2000 软件建立了索桁架光伏支架系统的有限元精细化模型，对整体进行力学分析，得到了重力作用以及风荷载下结构整体的变形14。唐俊福对斜拉索、钢斜柱、八字形钢斜柱三种形式的柔性光伏支架建立了有限元分析模型，并分析对比了三种结构在水平力荷载下的受力特点，并给出了水平承载构建与对面夹角的合理范围值，提出了不同地质条件下适用的结构形式15。杨政利用 SAP2000 软件对单层悬索结构光伏支架建立了有限元分析模型，考虑光伏组件对拉索的作用，对单层悬索光伏支架进行整体受力分析，获取了边梁的弯矩、挠度、拉索最大变形以及光伏组件最大应力。包含支座位移的情况下对光伏支架结构种拉索在承受外荷载作用下的
8、变形进行了公式简化推导， 为了验证简化算法的准确性，结合工程算例进行验证，两者计算结果相差不足 5% 16。刘丹采用 SAP2000 软件对预应力双层悬索结构进行有限元建模计算，得到了在不同张拉索预应力状态下的结构自振周期、结构振型状、悬索挠度、主要构件应力的变化规律，给出了满足正常使用极限状态下的悬索预应力值17。刘丹介绍了一种带揽风索的张弦梁光伏支架体系，利用 SAP2000 建立整体模型，进行了不同施工阶段的模拟计算和对比分析，通过对比主索在不同张拉力作用下结构的响应，得出了张弦梁光伏支架最佳张拉控制方案，同时也分析了揽风索在这类结构中的重要性，掌握了主索在不同张拉力作用下，各类构件的内
9、力、变形变化特征，主索施加不同的预拉力，对结构竖向刚度无显著影响，结构的振型特征无明显变化；张弦梁结构平面外刚度较弱，上弦钢梁和下弦主索均需要设置可靠的平面外支撑体系，避免结构在平面外失稳。改变主索张拉力，张弦梁结构的竖向刚度没有显著变化18。尚仁杰考虑了悬索结构的非线性，建立了拉索在竖向荷载下的力学简化模型，推导出了索结构在均布荷载下的刚度解析解，索结构的刚度分为索拉伸刚度和初始拉力的刚度，并给出了简化计算方法。结合工程案例进行静力计算，采用 ANSYS 有限元分析软件进行辅助验证，结果表明，提出的简化计算方法准确可行，误差在 0.5%之内11。现有的研究在对支架结构静力分析时，主要通过建立
10、有限元模型以及力学简化模型对结构整体进行参数分析，主要探究主索预应力值对结构变形、结构刚度、构建应力等的影响规律。研究者们通过数值模拟和实验研究，得出了不同结构体系、不同材料的柔性光伏支架的承载能力情况，为柔性光伏支架的工程应用提供了重要参考。但基本上将光伏组件对支架结构的作用简化为均布线荷载，往往忽略了光伏组件对承载索的影响。这些文献都从不同的角度对柔性光伏支架结构的静力计算方法进行了研究，结合各自的研究结果和实际应用情况，对不同的计算方法进行了对比分析。其中，唐俊福、刘丹等人的文章从结构力学的角度出发，对不同的柔性光伏支架结构形式进行了分析和对比；尚仁杰等人的文章则对不同的静力计算方法进行
11、了详细介绍和比较，指出了各自的优缺点和适用范围，旨在提高光伏系统的可靠性和经济性。这些研究都对柔性光伏支架结构的静力计算方法进行了深入的研究和探讨，为今后的研究提供了重要的参考和借鉴。3. 柔性光伏支架抗风性能研究现状柔性光伏支架的承载索是一种可变体系，自重轻，稳定性以及抗风能力差。在绝大多数情况下，风荷载作为光伏支架结构设计的控制荷载。风能对光伏板有两种不同类型的影响：风的积极影响是增加光伏板的冷却，这有助于降低电池温度，这对于保持光伏转换效率至关重要；风的负面影响是对光伏板施加力，这可能导致重大的结构损坏19。目前，在光伏结构设计的建筑标准和规范中，对风荷载的规定还很缺乏。对于柔性光伏支架
12、抗风性能研究的方法主要有现场实测、风洞试验以及数值模拟三种20 21。现场实测虽然可以得到最真实准确的数据，但是会耗费大量成本，并且该方法难以实现；所以大多的研究集中在风洞试验以及数值模拟中，因此本节对主要对这两方面相关研究进行总结。刘丹介绍了一种带揽风索的张弦梁光伏支架体系，利用 SAP2000 进行风载下结构整体模拟，结果表明，在风压力和风吸力两种工况下的揽风绳起到的作用都随着主索张拉力值的增加而变小。因此，为了保证揽风绳发挥作用，应在主索预拉力较大时对揽风绳也施加一定的预拉力18。程堂华利用 SAP2000 软件对单跨索结构光伏支架进行整体建模，风载对整体最不利的工况时风载方向与光伏组件
13、方向垂直。对比了在垂直情况下风从光伏组件正反面下的索轴力变化情况，考虑了不同光伏板倾角下，光伏组件的风载体型系数的变化规律，结果表明，150风向角时为整体最不利工况22。马文勇进行了刚性模型的风洞试验，考虑了风向角、光伏组件倾角、光伏面板间距比对光伏组件承受荷载以及风载体型系数的影响，风向角在 150 度时风荷载最大，风载体型系数随着面板倾角的增加呈线性增长。试验得到组件表面体型系数的分布情况，基于试验结果，对风荷载标准值计算公式计算修正， 在公式中引入了位置系数、方向角系数23。蔡华建立了新型悬索光伏支架结构动力分析的向量式有限元模型，分析结构的风致位移和内力响应特点。定义表征结构风致动力响
14、应的单边标准差，指出可采用正态分布函数近似分析动力响应的保证率。考察预应力、索截面面积、结构跨度、光伏板倾角以及基本风压分别对悬索光伏支架结构风致响应的影响规律。强调支架结构的风振响应取决于结构在平均风作用下平衡构型的性质，阐明结构风致准静力响应标准差与动力响应标准差高度相关，并提出了一种准静力响应标准差的计算策略，利用大规模参数分析结果，拟合出采用结构风致准静力响应标准差来估算风致动力24。杜航通过对一种可变倾角的大跨柔性光伏支架结构进行刚性模型风洞测压试验，研究了光伏组件板面的平均风压和脉动风压系数在不同风向角和倾角组合下的分布特性以及全风向角下组件的极值风压变化规律，并给出了典型风向角下
15、的脉动风压功率谱图。在此基础上，结合光伏组件的风压分布特点，采用 ANSYS 有限元软件仿真研究了该种柔性支撑光伏支架的风振响应，并进一步计算得到了相应的风振系数。研究结果表明：在 0 度和 180 度风向角下，平均风压系数沿来流方向梯度分布且绝对值迅速衰减； 随着风向角的增大，风压系数绝对值的最大值出现位置由迎风前缘向迎风端角部附近移动；光伏板面脉动风压分布与平均风压分布趋势类似；相比结构位移响应，钢索张力响应对风速变化不敏感，顺风向和竖向位移风振系数在 U = 8 m/s 取得极大值，其值为 2.11 和 1.98 25。Liu 从实验和数值分析两个方面对柔性光伏模块在风载荷下的性能进行了评估。采用基于 LES 算法的 CFD 数值模拟对不同风速和风向条件下模块的应力和变形进行计算和分析。光伏板下缘处风致应力最大，前表面中点处风致应力最小；然而，对于光伏电池板的背面，注意到相反的情况，最高的应力在面板的中间，而最低的应力在光伏太阳能电池板背面的下边缘。一般情况下，在光伏电池板前表面，位于光伏电池板边缘的传感器受到的应力大于位于光伏电池板中心的传感器，而位于光伏电池板后表面边缘的传感器受到框架的遮挡，使其受到的应力小于中心线的应力。研究结果表明，柔性光伏模块的动态响应特性和风载荷响应特性受风速和风向的影响26。Abdollah
