大型光伏电站太阳能支架结构的优化设计研究

随着西部光伏电站的大规模建设及电站收益的减少，光伏支架成本控制成为光伏电站建设中重点考虑问题。如何实现支架结构在满足强度、刚度、稳定性的条件下尽可能地节约钢材，是设计中面临的关键问题。本文将以公司常用光伏支架为研究对象，结合工程实际，从设计角度出发，使用有限元分析软件ANSYS及SAP2000，对支架结构的部分零部件进行优化设计研究。

由于西部地区光照资源丰富，以及光伏发电成本太高，中国开始在西部地区进行大型光伏并网电站的建设。西部地区尤其是西北地区的年有效光照小时数是东部地区的两倍左右，甚至超过2000小时。而西部地区遍布的大片荒漠化土地，对于需占地面积较大的光伏电站和光伏电站运营企业而言，具有较大的市场竞争力与吸引力。

一般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，如果选用的支架不合适，会增加加工成本、安装成本及后期养护成本。因此，对光伏电站支架结构进行优化研究具有较重要的意义。

1光伏电站支架结构及优化方式

1.1大型光伏电站支架结构

目前西部地面光伏电站的支架普遍采用Q235-B钢。综合多种因素考虑，西部地面光伏电站建设一般采用固定式支架。目前普遍采用的固定式支架主要由横梁、斜梁、前后支腿、斜撑组成，受力性能良好。

1.2 优化方式简介

光伏支架为超静定结构，进行优化设计时，采用简单的手算等静力分析无法得出准确的计算结果，现在普遍采用电算方式进行结构分析，计算光伏支架的强度、刚度、稳定性时普遍使用的软件为PKPM和SAP2000。PKPM操作简单，设计效率较高，但该软件没有适用于光伏支架的截面，计算时只能用近似的截面代替，其加载方式也不是很合理，计算结果并不能让人满意；SAP2000也有一定的缺点，对支架节点等细部，其无法进行受力分析。ANSYS在结构计算上功能强大，它能够形象而准确地模拟出支架零部件中实体结构的细部受力特征，进而计算出不同工况下的结构强度。
2支架优化设计

主要对支架的部分构件进行有限元分析和优化。经过用钢量统计，得出支架横梁和前后立柱下方的底座用钢量较大，因此着重对这两部分进行有限元分析和优化。

2.1 支架横梁有限元分析

为使力学计算方便，在SAP2000中对支架结构进行整体有限元分析时，常将支架横梁建模成简单的C型钢形式，这样计算结果就与真实结果有所出入。为准确计算出横梁在不同工况下的应力，在SAP2000中对整体结构进行计算后，再在ANSYS中对实际的冷弯内卷C型钢进行有限元分析，通过分析结果，可判定横梁结构是否安全。

取一根4720mm横梁进行有限元分析。光伏支架在某地使用时，受到了自重、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震等作用，将这些荷载进行组合，将最不利组合时的荷载换算成面荷载，施加在横梁上。得出了两种横梁在相同外荷载作用下的强度、刚度结果，冷弯内卷C型钢强度结果。

由计算结果可知，在荷载、约束等外部条件相同的情况下，冷弯内卷C型钢的承载能力更好。简化的C型钢最大应力（强度）为179MPa，最大应变（刚度）为6.83mm；冷弯内卷C型钢的最大应力（强度）为153Mpa，最大应变（刚度）为6.2mm。强度都小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，刚度也满足规范要求。

2.2 底座有限元分析

底座是连接光伏支架方形立柱和圆管地桩的零件，目前我方项目普遍采用的底座单个重量大约为2.6Kg。支架结构中，底座是重要的受力部位，且安装支架时需要大量使用。如何在保证安全可靠的前提下将其重量适当减小，以达到降低成本的目的，值得研究。经初步分析，拟将底座的高度由150mm减小为120mm，厚度由8mm减小为6mm，宽度也适当减小。

现将新设计的底座在ANSYS中进行有限元分析，以确定其结构是否安全。根据地桩拉拔力的经验值，取20KN作为底座受到的竖直向上的力，并将其换算成面荷载施加在底座的螺栓孔位置。

得出了底座的强度结果。为使计算方便，采用底座的1/2模型进行分析，加载时施加了对称约束。

由计算结果可知，底座的最大应力（强度）为103MPa，小于Q235钢的许用应力235/1.2=196MPa，最大变形为0.1mm，符合规范要求，因此，重新设计的底座结构是安全的。

3总结

光伏支架在整个光伏电站的投资建设中占了很大一部分，因此对它进行优设计很有必要的。同时我们也应该看到，目前市场的大电站支架结构较单一，优化空间有限，应在优化设计时切实保证其在25年内能安全使用。在设计时，要充分考虑《光伏发电站设计规范》中列出的各项荷载及对它们进行最不利荷载组合，这样才能保证结构的安全。