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创新设计 | AG8旗舰厅双面光伏组件支架解决方案引领单面发电到双面发电的变革!


随着科技的快速发展和人们环保意识的提高,可再生能源受到了越来越多的关注。其中,光伏发电作为一种清洁可再生能源,正得到广泛的应用。太阳能电池是光伏发电系统的核心部分,目前市面上应用最多的太阳能电池组件为单面组件,即组件仅支持向阳面发电。随着技术的进步,正反两面都能发电的双面电池组件也得到了更多的应用。经测算,双面组件能提高发电量10%~30%。而且,双面组件能够减少光伏系统中的阴影效应,提高系统的可靠性和稳定性。但传统单面组件采用的“檩条+横梁”的支架体系会对双面组件背面造成遮挡,不利于双面组件发电效率的提升。

因此,本文针对双面组件的特点,提出了一种新型的双面组件支架结构形式,该结构采用常见的光伏支架,具有安装简便、成本低的优势,可供分布式光伏发电项目参考使用。

对于单面光伏组件,常用的支架方式如图1所示。
该支架体系由前后两根立柱支撑一根横梁,沿横梁纵向搭设檩条,檩条之上通过压块将组件固定。该体系通过前后立柱的混凝土配重墩固定在屋面或者地面上。结构横向由斜撑形成固定体系,纵向由混凝土基础和檩条形成固定体系。经众多实际项目验证,该结构体系能满足光伏使用的结构安全需要。

单面光伏组件只有一面有PN结,因此只能从一面吸收太阳能。而双面光伏组件正反两面都有PN结,可同时从两面吸收太阳能。因此,双面光伏组件的支架檩条应位于组件边缘,否则支架纵向檩条会对双面组件背面造成遮挡,大幅降低双面组件的发电优势。同时,还应尽可能避免其他电气设备( 如组串式逆变器)等对组件背面造成遮挡。
4.1 风荷载

光伏支架设计时,按25年重现期确定基本风压;地基基础设计时,按50年重现期确定基本风压,并考虑1.6的安全系数。垂直作用于光伏支架结构或光伏组件表面的风荷载标准值,可按下式计算:

wkzusuzw0

式中:

wk——风荷载标准值(kn/m2);

βz——高度z处的风振系数;

us、uz——风荷载体型系数、风荷载高度系数;

w0——当地基本风压(kn/m2)。
除横向风荷载外,还应考虑纵向风荷载对支架产生的水平力。计算风压时,需注意风荷载方向性,如图2所示。

4.2 雪荷载

作用于光伏支架水平投影面上的雪荷载,重现期取25年;地基基础设计时,按50年重现期确定雪荷载。安装在建筑物屋顶上的光伏组件,应考虑迎风面、背风面、遮挡物等造成的积雪不均匀分布系数。

4.3 荷载组合

光伏支架结构设计时,应进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态计算。前者主要计算支架构件的强度、稳定性以及连接强度;后者主要计算支架的变形、裂缝等。荷载效应计算分两种工况,分别为抗震验算和非抗震验算。

●  非抗震验算时,荷载效应的基本组合按下式计算:

SdGSGKWΨWSWKSΨSSSK

式中:

Sd——荷载组合的效应设计值;

γG——永久荷载的分项系数,取1.3;

γW、γS——风荷载、雪荷载的分项系数,取1.5;

SGK、SWK、SSK——永久荷载标准值效应、风荷载标准值效应、雪荷载标准值效应;

ΨW、ΨS——风荷载、雪荷载的组合值系数,当风荷载或雪荷载为主导荷载时,组合系数取1.0;

●  抗震验算时,荷载效应的基本组合按下式计算:

SdGSGEESEhKWΨWSWK

式中:

Sd——地震组合的效应设计值;

γG、γE、γW——重力荷载的分项系数,取1.3;水平地震作用分项系数,取1.3;风荷载作用分项系数,取1.5;

SGE、SEhK——重力荷载代表值的效应、水平地震作用标准值的效应;

ΨW——风荷载的组合值系数,当风荷载起控制作用时,取0.2,否则取0.0;
5.1 支架横向结构体系
由于双面光伏组件背后不宜有遮挡,因此双面光伏组件不适合采用立柱“横梁+檩条”的结构体系。因此,可将檩条取消,将光伏组件直接连接到两侧的横梁上,如图3所示。
每块光伏组件两侧均设置横梁,组件通过压块和托片固定到横梁上,横梁通过前后立柱固定到基础上。为了保证结构侧向的稳定,前立柱沿纵向设置一根纵向支撑,后立柱沿纵向设置两根纵向支撑,双面光伏组件支架立面如图4所示。该支架结构体系取消纵向檩条,有效的避免了其对组件背面的遮挡。同时立柱设置的纵向支撑,提供了支架纵向的刚度,使支架在纵向形成稳定的支架体系。具体安装效果详见第7节应用案例。
图4所示支架横向结构可根据立柱与基础连接形式的不同,分为两种结构体系,柱底铰接和柱底固结的形式。柱底铰接形式为行架式横向结构体系,柱底固结为排架式横向结构体系。图5所示两种形式均为行架式横向结构体系,该结构体系前后立柱与基础采用铰接的形式,并且采用一根或者两根横向支撑提供侧向刚度,形成稳定的结构不变体系。图6所示三种形式均为排架式横向结构体系,该结构体系前后立柱与基础采用固结的形式,并且采用一根或两根纵向支撑提供侧向刚度,增强结构的抗侧力稳定性。基础设计同传统光伏支架。

5.2 支架纵向结构体系

支架纵向结构体系根据立柱与基础的连接形式不同,同样分为两种结构体系,柱底铰接和柱底固结的形式。柱底铰接形式为行架式纵向结构体系,见图7。柱底固结为排架式纵向结构体系,见图8。
从图7可以看出,行架式纵向结构体系由于柱底铰接,立柱纵向必须设置纵向斜撑以保证支架纵向形成稳定的结构体系。对于排架式纵向结构体系,由于立柱底部固定,纵向支撑根据实际受力情况确定是否设置。不论行架式还是排架式支架体系,纵向横撑均设置在立柱上,距离组件背面有一定的距离,这样能有效地避免杆件对双面光伏组件的遮挡,从而能更好地发挥双面组件的优势,提高发电量。

5.3 支架材料

本创新支架方案的优势就在于能采用常规的光伏支架杆件及材料,具有广泛的适用性。常用杆件如图9所示。
图10为光伏常用压块和垫片,压块与垫片采用螺栓拧紧,中间夹光伏组件实现固定。
6.1 支架整体仿真验证
为验证支架整体的稳定性和承载能力,通过ABAQUS有限元软件对支架进行仿真。根据《建筑结构荷载规范》及《光伏发电站设计规范》,以河南郑州项目为例,该地区25年基本风压为0.38kn/m2,通过本文4.1条调整后风压取值0.72kn/m2。通过面荷载施加给支架体系。图11及图12分别为排架式和行架式支架整体仿真结果,结果显示风压产生的结构横梁最大位移分别约0.19mm、0.49mm,小于横梁计算跨度的1/250,满足《光伏发电站设计规范》(GB50797-2012)。风压产生的柱侧侧移分别为0.1mm、0.36mm,小于柱高的1/60,同样满足规范要求。因此结构整体稳定性符合要求。
需要指出,排架式支架比行架式支架结构约束更多,超静定次数更高,因此结构位移小,稳定性好。从结构稳定性角度,本文推荐采用排架式支架结构体系。

6.2 压块与横梁节点仿真验证

为验证压块与横梁节点部位的受力,取一根横梁采用三维应力单元进行仿真分析。风荷载施加到压块上,通过压块传递给横梁,三角连接件底部设置固定支座,见图13,横梁通过三角支座固定。
设计规范要求,支架采用的螺栓均固定拧紧。因此,各部分可视为紧密结合,不产生滑移,采用共单元节点进行仿真分析。通过图14及图15可以看出,风压产生的最大应力在横梁上,为160.2MPA,小于钢材强度设计值215MPA。
从图16可以看出,风压产生的最大位移为0.95mm(特别指出该位移与图11、12所示位移不同,是因为荷载施加方式不同,图11及图12仅为验证结构体系整体稳定性,因此荷载采取沿横梁施加线荷载的方式),横梁截面无翘曲,因此,该创新压块节点满足强度要求。
图17及图18为风吸力作用下,节点与横梁的位移和应力图。最大位移发生在压块上,为0.58mm,最大应力发生在横梁上为96MPA,同样小于钢材强度设计值215MPA。因此,风吸力作用下,节点和横梁同样满足强度要求。

本创新解决方案通过取消光伏支架檩条,将双面组件支架安置在横梁上,然后在前后立柱设置纵向支撑的方式,采用常见的材料,适用性强,既解决了双面光伏组件背后遮挡的问题,又提供了足够的支架支撑。通过实际工程检验,取得了良好的效果。案例照片见以下附图。

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