浅析光伏用免打孔横梁及光伏结构

浅析光伏用免打孔横梁及光伏结构

郑慈灿,黄辉博,洪俊杰

正泰安能数字能源（浙江）股份有限公司，浙江省杭州市310000

摘要：中国光伏发电处于高速发展的阶段，其应用范围逐渐扩大。光伏支架一般用于固定和安装光伏组件，是光伏电站的重要组成部分，光伏组件的运行安全取决于光伏支架合理的设计。现有的组件安装中支架普遍需要在构件上开孔。其中，在横梁上，这种现象尤为突出。为了方便安装，甚至会出现一整根檩条打满孔的情况。这样的方式虽然解决了方便安装的问题，但由于打孔太多的缘故，大大降低了横梁的强度。因此，需要一种免打孔横梁既解决安装方便的问题，又能解决打孔带来的强度降低问题。本文就将研究探讨这一技术设计，并依据实例分析其合理性和实用性。

关键词：光伏发电，光伏结构，光伏支架，横梁，免打孔设计

前言

太阳能在全球能源结构中的比重持续增大，具有极大的开发潜力。“十三五”我国光伏发电总装机容量达到1.5×108kW，我国光伏产业在“十三五”将保持高速发展态势，同时“十三五”光伏行业的一个重要使命是实现产业升级1。在光伏发电系统中,光伏组件是将接收的太阳能转换为电能,再通过电能变换装置(如逆变器)转换为所需要的电能形式,光伏组件的稳定性能直接影响发电量的多少。现有技术中,光伏组件的支架一般为包括前立柱、后立柱、斜撑梁、横梁、底梁、后立柱和横梁等,其可以满足地面安装、屋顶平面安装等需求2。太阳能光伏支架作为光伏产业链的配套产品，其安全性、适用性以及耐久性成为光伏系统在发电有效期内安全服役的关键因素。在光伏组件安装施工中常会遇到支架变形的情况,支架一般由“C型钢”或“U型钢”的横梁及檩条组成,一旦发生变形直接影响安装质量3。由于现场施工条件有限,所以如果想要解决安装便捷性和打孔带来的强度降低问题就必须原产品的设计上加以入手。

1.光伏发电

目前人类利用太阳能主要是进行取暖和发电，特别是太阳能的发电这一功能，正得到广泛关注，让其替代水能或者火能的发电能源及技术，成为新型的无污染节能的发电技术，实现能源可持续发展的目的。“光伏发电”最早出现于1839年,法国科学家最先发现“光生伏打效应”,之后近100年的时间里,光伏发电技术研究处于缓慢发展阶段。1954年，美国出现首个实用的单晶硅光伏电池的研发成功。20世纪中后期，光伏技术的发展开始进入正式轨道4。我国的太阳能光伏技术产业，目前在技术创新方面仍有欠缺，需要改变依靠市场进行驱动的模式，转而向凭借技术驱动，带动市场的内在竞争，提高其效率，同时将技术发展和保护环境相结合，走可持续发展的道路5。

2.光伏用免打孔横梁

为实现光伏组件安装用横梁免打孔，保证光伏电站的安全性，同时螺栓能在横梁卡接槽内任意移动，在斜梁出现安装偏位的情况下，螺栓能适时移动到斜梁所在的位置进行固定，本文提出一种光伏用免打孔横梁，其主体为U型横梁，U型横梁主体的U型槽口设置有回转卷边，回转卷边用于固定内侧的第一螺母并通过第一螺母与组件螺栓连接。其中第一螺母为开槽螺母，开槽螺母通过表面的卡槽与回转卷边卡接。此外，光伏用免打孔横梁还包括设置在回转卷边外侧的临时螺母，临时螺母、第一螺母与组件螺栓连接。回转卷边连接的螺栓指向U型槽口或背离U型槽口。设置在回转卷边底部的限位口，用于对开槽螺母进行横向限位。设置在U型横梁主体的U型槽口的槽底设置的回转卡槽，并通过设置在回转卡槽的蝴蝶螺栓与斜梁进行螺栓连接。回转卡槽的顶部横向设置有横梁加强筋，横梁加强筋与回转卡槽形成用于设置蝴蝶螺栓顶部的腔体。这种光伏用免打孔横梁整体在实际应用中也将被作为一种光伏结构。

3.光伏用免打孔横梁的优势

现有技术相比，光伏用免打孔横梁通过将横向设置为U型横梁主体，并在U型槽口设置有回转卷边，通过回转卷边固定内侧的第一螺母，并通过第一螺母与组件螺栓连接，由于无需对横梁打孔，从而保证了光伏电站的安全性，结构简单，安装方便。

4.光伏用免打孔横梁的使用实例

下面将结合附图实施例对这种光伏用免打孔横梁的技术方案进行清楚、完整地描述。

4.1基础结构

如下图所示，光伏用免打孔横梁，包括U型横梁主体，U型横梁主体的U型槽口设置有回转卷边10，回转卷边10用于固定内侧的第一螺母40并通过第一螺母40与组件螺栓70连接。通过将横向设置为U型横梁主体，并在U型槽口设置有回转卷边10，回转卷边10固定内侧的第一螺母40，并通过第一螺母与组件螺栓连接，由于无需对横梁打孔，从而保证了光伏电站的安全性，结构简单，安装方便。

为了进一步提高安装效率，避免在连接固定过程中发生滑动，第一螺母为开槽螺母，开槽螺母通过表面的卡槽41与回转卷边10卡接。设置在开槽螺母表面的卡槽41与回转卷边10卡接，使得可以避免出现螺母发生滑动的情况，同时也能够减少人工固定的难度，提高固定效率以及安装精度。开槽螺母的限位卡槽与免打孔横梁的回转卷边10相互卡接，在螺栓安装时能防止卡槽螺母转动，只需旋转内六角螺栓就能完成安装。同时，卡槽螺母能根据组件的位置，任意移动到横梁U型槽内任意位置进行紧固，大大提高了安装便捷性。

图1

4.2螺母及连接方式

光伏用免打孔横梁还包括设置在回转卷边10外侧的临时螺母，临时螺母、第一螺母与组件螺栓连接，此设计能够在安装过程中提供更大程度上的便捷。临时螺母，能够完全将回转卷边10、临时螺母以及第一螺母形成一个整体，避免出现松动或其它情况，只对回转卷边10的部分区域进行受力而造成损坏的情况，提高了使用寿命以及结构的使用可靠性。在具体设计中，临时螺母的尺寸材质不做限定，可以采用与第一螺母相同的结构或者其它结构，通过内外固定的方式，提高固定效率。同样，对于与组件的连接方式也不做具体的限定。

4.3限位口设置

由于在实际的连接过程中，即使采用以上的操作方式进行横梁的连接，也还可能会出现横向移动，降低连接固定的精确度，而且对于不同的连接要求，需在不同的位置进行固定，因此为了实现这一技术要求，光伏用免打孔横梁还包括设置在回转卷边10底部的限位口，用于对开槽螺母进行横向限位。通过在回转卷边10底部设置限位口，用于对开槽螺母进行横向限位，使得可以在指定的位置进行固定连接，无需担心在连接后由于大风等引起的震动而导致的滑动，提高了连接精度以及安装效率。

图2

4.4其他结构连接件

除此之外，由于以上的结构仅仅是涉及到横梁组件，只是为了方便于组件的安装，但是横梁一般还会与其它结构进行连接，这时也可能存在需要打孔的情况。同样，为了解决这一技术问题，光伏用免打孔横梁还包括设置在U型横梁主体的U型槽口的槽底设置的回转卡槽20，并通过设置在回转卡槽20的蝴蝶螺栓50与斜梁60进行螺栓连接。这样的设置，使得在固定斜梁60的过程中，由于回转卡槽20采用回转的结构，是向着横梁的U型槽内弯折，因而不会占用外部的空间，不会影响原有的设计方案。而通过蝴蝶螺栓50与斜梁进行螺栓连接，由于蝴蝶螺栓的限位凸起51与免打孔横梁的回转卡槽20相互贴合，在螺栓安装时能防止螺栓转动，只需旋转螺母就能完成安装。这样一来，蝴蝶螺栓也能根据斜梁的位置，任意移动到横梁连接槽内任意位置进行紧固，大大提高了安装便捷性。

当然，在槽底设置的回转卡槽20也带来了问题，会变相的使得底部的结构强度降低，而且如果发生意外，底部的蝴蝶螺栓可能会与上部的螺栓或者其它结构进行碰撞，发生二次事故，增加损失。因而，为减少损失，提高部件的结构强度，光伏用免打孔横梁还包括设置在回转卡槽20的顶部横向设置的横梁加强筋30，其与回转卡槽20形成用于设置蝴蝶螺栓顶部的腔体。通过设置横梁加强筋30，大大提高了横梁的强度。同时横梁还能够对蝴蝶螺栓形成限定位置和纵向支撑的作用，避免发生二次事故的可能性，提高了设备的可靠性。

图3

结语

太阳能光伏技术是一种新型、可再生、环保的发电技术，可以直接利用太阳能资源，简化了发电及用电的工序，还能有效提高人们的生活质量水平，并且能在社会各行业和领域得到发展与应用6。现阶段，国际上的光伏发电系统以及发电技术一直受到局限，故改进现有发电方式的同时，也会对光伏技术进行改进，研发出最佳的光伏发电系统，改进落后的具体技术应用，并将之应用于实际的发电系统中，这将是太阳能光伏发电技术发展的必然趋势。

参考文献

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