光伏支架结构稳定性分析与改进方案研究——以大同云冈区标准化厂房屋顶分布式光伏发电项目为例

光伏支架结构稳定性分析与改进方案研究——以大同云冈区标准化厂房屋顶分布式光伏发电项目为例

王可

上海中民华诚新能源科技有限公司

摘要：本研究深入探讨了光伏支架的结构稳定性问题，并提出了优化建议。讲解了光伏支架的基础构成要素和独特性质，并解析了用于评价其稳定性的技术和原理。研究了作用于构造稳固性的决定性要素。确立了改进措施的制定准则，实施了修正。借助案例分析法验证了改进方案的实际效果，并概括了关于设计的专业体会与感受。该研究提升了光伏支架结构稳固性，赋予关键性借鉴与引导。

关键词：光伏支架 结构稳定性 改进方案 太阳能发电

引言

太阳能光伏系统是利用太阳能的重要手段之一，其稳定性直接决定了系统效能。因此，对太阳能支架结构的稳定性进行深入探究，拟定针对性改进策略，提高太阳能发电系统的效率和稳定性极具重要性。本文对光伏支架的稳定性进行了详细分析，并提出了相应的优化策略，旨在为太阳能发电项目的规划与实施提供坚实的科学依据和实用的操作指南。

1.光伏支架结构稳定性分析

1.1光伏支架结构的基本构成与特点

光伏支架的架构主要由支架结构、立柱部件、连接元件等部分组成。支架构件一般采用铝制合金和镀锌钢材制造，具有轻巧、耐腐蚀的特点，能够承载太阳能电池板的重量并保持稳固。支柱通常植入地下或固定在支架上，以提供支撑和稳定支架的功能。连接件负责将支架的各个部分紧密结合，增强支架结构的稳定性和牢固性。光伏支架结构的特点总结如表1所示：

表1  光伏支架结构特点

1.2结构稳定性分析方法与原理

结构稳定性检视是关键步骤，用以确认太阳能支撑架构在受到外界作用力时能否保持稳定状态。普遍运用的分析方法包括有限元分析法、结构力学理论以及实验验证等。

有限元分析：通过有限元数值运算，将结构划分为众多单元进行深入分析，对每个细小单元的力学特征进行详尽探究，最终揭示出整体结构的力学行为。在光伏支架的结构稳定性分析中，有限元方法技术能够重现不同工作状况下的力学表现，涉及静态载荷、动态载荷以及温度波动等方面，以此确定结构的稳定性等级。

结构力学理论：结构受力及变形学，探究结构在受力下的特性与形变法则，属于学科范畴。在分析光伏支架的结构稳固性时，常常涉及梁柱理论、板面理论和壳体理论等多重理论。借助结构力学原理，可以推算出构造体在受力时的应力分布和形变情况，通过这种推算，对构造体的稳定性作出评估。

试验验证：通过实验手段检测太阳能电池板支架的稳定度并确认。借助静载试验、振动试验和温度试验等方法，观察结构在实际工作条件下的力学反应，以此验证理论推导的准确性，并进一步优化结构设计。

1.3光伏支架结构稳定性分析的关键因素

光伏支架的结构稳定性分析需要全面考量多个因素，而在设计过程中，恰当选择设计变量是至关重要的。首先，支架的尺寸及其倾斜度直接影响太阳能光伏板的安装角度和吸收阳光效率。适合的尺寸和角度规划是关键，以最大化利用太阳能。因此在设计时必须综合评估太阳能的吸收效率和结构的稳定性。支架尺寸精确规划，布局贴合实际，在环境等因素影响下依旧保持稳定。

建筑材料的选择对太阳能光伏支架稳定性至关重要。各种材质展现独特的物理特性和抗环境性，选择合适的材料可以提高支架的强度和耐腐蚀性。例如，铝制合金因质地轻盈、具备高强度与良好的耐腐蚀性，常被用于支架制造，但在某些特定环境下可能需要进行额外的防腐蚀加工。因此，在材料选择时必须全面评估支架的承重能力，同时关注支架的耐久性，不能忽视成本的影响因素。

最后，生态要素对支架的稳固性起着关键作用。例如，风力、降水和温度等外部因素对支架结构造成影响。面对狂风和极端天气，支架结构的稳定性受到考验，在项目规划与建设期间必须考虑这些自然因素并采取相应措施增强支架的稳定性。

2.光伏支架结构稳定性改进方案研究

2.1 现有问题与改进需求分析

现有的光伏支架结构在实际应用中存在一些问题，亟待改进，以满足不断增长的太阳能发电需求，并确保系统的稳定性和高效运行。首先，当前的光伏支架结构设计可能存在参数设置不合理的问题。例如，某些支架的尺寸未获充足考量，支架的倾斜角度亦未仔细评估，这些疏忽使得太阳能光伏板无法高效地吸收阳光，从而降低了发电效率。因此，支架设计的每个细节都需要经过严格的评估和改进，不同地区的环境条件如风雪压、气候等会对太阳能光伏系统产生影响，因此需要针对不同的环境特点选择适合的支架。

在对现有光伏支架的结构问题寻找解决方案时，若不根据具体环境特性进行深思熟虑，仅依赖传统材料可能引发稳定性下降的问题。举个例子，在风雪压高的区域，利用不达标的材料或设计的尺寸作为支架可能会导致建筑不稳固，这样可能影响到光伏系统长期的使用和发电效果。因此，针对不同地域的独特环境和条件，应当进行深入的性能分析与评价，同时挑选出最适合的支架和材料，以保证光伏系统能够平稳且高效地运作。

此外，当前的光伏支架设计遭遇适应多变环境的挑战。在狂风和暴雨等严苛气候条件下，支架结构容易受损或发生倾斜，扰乱了太阳能发电系统的标准化运作。因此，改进支架设计是必要的，以增强其对抗狂风积雪的耐力，并确保在各种条件下保持稳固。同时，必须考虑支架的适应能力，根据不同地点的实际状况进行结构设计的调整和提升，以满足各地区环境与气候的独特要求。光伏支架应按承载能力极限状态计算结构和构件的强度、稳定性以及连接强度，按正常使用极限状态计算结构和构件的变形。对于承载能力极限状态，应按荷载的基本组合计算荷载组合的效应设计值。

2.2结构改进方案设计原则

研发太阳能电池板支架的更佳设计方案，应恪守国家标准，以确保改进措施能有效提升结构的稳定性和可靠性。首先，在制定改良设计方案时须重视支架的整体结构坚固性。增加支架的结构坚固性，提升其抵抗弯曲和扭曲的能力，加强对抗风雪等外部荷载的抵抗力。支架的荷载和荷载效应计算应符合下列规定：1) 地面光伏发电站风荷载、雪荷载和温度荷载应按现行国家标准《建筑结荷载规范》GB50009 中不小于 25 年一遇的荷载数值取值。支架风荷载的体型系数应通过风洞试验确定。无实验数据时，可参考《光伏支架结构设计规程》（NB/T10115）。            

钢支架及构件的变形应符合下列规定：1)支架的柱顶位移不应大于柱高的 1/60；2)倾角可调式支架、柔性悬索结构的柱顶位移不应大于柱高的 1/80；3)受弯构件的挠度容许值不应超过表2的规定。

表2 受弯构件的挠度容许值

注：L为受弯构件的跨度。对悬臂梁，L为悬伸长度的2 倍。

在改进方案中，必须考虑支架的耐候与耐腐蚀特性。光伏支架户外使用，日晒雨淋、风吹等自然影响不断，必须采用耐环境变化的材料并实施防腐蚀措施，以期延长支架寿命周期。选用能适应环境变化的材质，如不锈钢或经过防腐处理的铝合金，旨在增强支架的持久性。当光伏支架采用钢材时，钢型选用应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB50017 和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018 的规定。当光伏支架采用铝合金材料时，材质的选用应符合现行国家标准《铝合金结构设计规范》GB50429 的规定。

2.3结构改进方案的具体设计与优化

针对光伏支撑架构设计的具体需求和优化解决方案，首先需要依据建筑物原有的承载能力和经过加固的负重标准来确定该架构应遵循的布局准则。这其中包括对建筑物和加固后结构的承载能力进行评估，并考虑到防水和防腐蚀处理对承重报告可能产生的不良影响。面对各种情境，应基于具体的实际需要来做出相应的选择，确保整体地图布局满足结构的安全性标准。

对于铝合金支架的设计，应当选择6063-T6和6005-T5这两种铝合金，同时要对氧化膜的厚度与质量进行严谨的控制。关于支架的接合方法，建议使用SUS-304不锈钢作为螺栓材料，并且铝合金支架表面采用阳极氧化处理，氧化膜平均厚度不小于 15μm，阳极氧化膜按 AA15 级别管控；铝合金夹具长度不低于 60mm，铝合金导轨最小平均厚度不小于1.2mm。在沿海及高酸碱污染地区，支架夹具与彩钢瓦屋面间应设置隔离垫片，避免电化学腐蚀，可采用高分子耐腐蚀柔性材料。铝合金支架设计进行必要的强度、刚度校核，并对各连接节点、杆件长细比进行校核，并提供完整计算报告，载荷计算及安全校核应遵循 GB 50797《光伏发电站设计规范》。

在钢支架的设计过程中，钢支架适用于水泥屋面，钢材采用 Q235B 钢或 Q345 碳钢，具体采用的钢材牌号应根据荷载计算结果确定，以经济性为标准。钢材表面应采用热浸镀锌工艺进行表面处理，镀锌层平均厚度≥65μm。在沿海及高污染地区，应进一步提高镀锌层厚度，以提高抗腐蚀能力。镀锌钢支架所有零件基板壁厚公差（不含镀锌层）应严格遵循国家标准，不得超出。钢结构连接用螺栓宜采用8.8级普通螺栓，普通螺栓要进行渗锌处理。在钢支架的连接设计领域，还应该深入研究和验证相关的强度、稳定性等关键因素，以保障支架的稳固和可靠。在支架基础的设计过程中，为了确保支架基础的持久稳固性和安全系数，需要对配重式基础的摩擦属性和抗倾覆力矩做深入的优化和精确的计算。

3.项目案例分析

3.1项目概述介绍

大同云冈区标准化厂房（一期）6.862MW屋顶分布式光伏发电项目工程，地点位于大同云冈区，施工周期为2023年1月至2023年6月，工程总价达2470.32万元。该项目旨在利用既有建筑物屋顶，新增屋面光伏系统，为实现清洁能源发电贡献力量。为确保项目顺利实施，根据公司的人员配置和设备分布，绘制了光伏组件排布图、角驰彩钢瓦标准阵列施工图、彩钢瓦屋面光伏支架布置图、逆变器桥架支架详图、屋面检修爬梯详图、彩钢瓦顶桥架下墙安装示意图、平屋顶桥架下墙安装示意图等全套结构施工图，以确保施工过程的顺利进行和工程质量的保证。

3.2改进方案的应用与结果

改进方案的应用与结果需要遵循严格的制作、安装和验收标准，以确保项目的顺利实施和工程质量的保证。首先，针对钢结构拼接制作及施工过程，应严格按照《钢结构工程质量验收规范》GB50205-201的要求进行操作。对于焊接部位，采用全熔透对接焊迹，焊缝质量需符合《建筑钢结构焊接技术规范》JC81-202的相关标准，确保焊接质量达到规范要求。此外，对于钢结构的下料预留加工和焊接余量，确保构件的加工后产生的变形满足相关要求，同时对构件进行全面的除锈处理，等级为Sa2.5，使用符合国家标准的处理液进行化学除锈。采用金属保护层的防腐方式，钢结构支架及件使用热镀锌进行防腐，确保镀锌层厚度符合标准要求，并且涂抹防腐涂料以保护焊接完成后的构件。

在项目的实际应用中，针对光伏支架的制作及安装过程，采用铝合金和不锈钢等高质量材料，并严格按照设计图纸进行加工制作。支架的构造应符合下列规定：1）普通碳钢构件除受拉构件外壁厚不应小于 2mm；采用屈服强度≥420N/mm²的连续热镀锌、热镀铝锌合金镀层钢板及钢带时，构件最小壁厚不应小于 1.5mm，应符合现行国家标准《连续热镀锌钢板及钢带》GB/T2518 和《连续热镀铝锌合金镀层钢板及钢带》GB/T14978；2）铝合金构件最小壁厚应符合现行国家标准《铝合金结构设计规范》GB50429 的相关要求；3)受压和受拉构件的长细比限值应符合表3、表4的规定：

表3钢支架受压和受拉构件的长细比限值

表4铝合金、连续热镀锌、热镀铝锌合金镀层钢板及

钢带支架受压和受拉构件的长细比限值

支架的防腐蚀设计应综合考虑使用环境、使用年限、施工和维修条件等因素，因地制宜，进行防腐蚀设计。铝合金支架要进行表面防腐处理，采用阳极氧化处理措施。而连续热镀锌、热镀铝锌合金镀层钢板及钢带支架，对于一般腐蚀性地区，结构构件镀层的镀锌量不应低于 180g/m2(双面)或镀铝锌量不应低于100g/m2(双面)。对于高腐蚀性地区，镀锌量不应低于 275g/m2（双面)或镀铝锌量不应低于 100g/m2(双面)，并应满足现行国家或行业标准的规定。栓接时，连接螺栓应使用不锈钢材质。

制作工厂对构件的焊接、除锈、镀锌等工序进行严格检验，确保构件质量达到标准要求，并经过验收合格后，再运往现场进行安装。

在安装过程中，严格按照设计文件和施工图进行组织设计，确保构件安装的准确性和稳定性。同时，在支架安装过程中，采取合理的施工措施，避免安装误差过大，确保结构的稳定性和安全性。

最后，进行全面的验收，核对构件数量、质量和安装情况，确保项目符合设计要求和国家标准，达到预期效果。

3.3设计心得体会

在项目中，我充分利用沟通和协调能力，与业主进行了深入的沟通，确定了光伏支架的位置排布，并积极推进项目的进程。在设计光伏支架时，我运用了PKPM软件对建筑物屋顶的重量进行了周详的测算，并得出了无需加固的结论。基于此，我提出了更优的建议：利用原屋顶新增屋面光伏系统，并通过日照计算和阴影遮挡面的分析绘制了屋顶光伏排布图。针对彩钢瓦屋面的特点和当地的气候条件，我根据光伏板尺寸等信息设计了双竖排彩钢瓦组件布置平面图（如图1），并结合计算公式确定了导轨的材料和尺寸，确保了安装的美观和牢固安全。我还要求加工制作单位对夹具尺寸进行复核，保证夹具支架的抗拉拔力，同时列出了光伏支架清单并设计了结构方案和构造措施，以保证支架结构在运输、安装和使用过程中满足要求。

图1 彩钢瓦组件布置平面图

在项目实施过程中，我要求对结构总图进行承重复核报告，并明确了分布式项目承载物的现状承重情况，确保了总图布置的前提条件。同时，我跟踪施工现场，及时解决问题，确保各项工作按原计划进行。最终，项目顺利完工，并得到了甲方和公司的认可，充分验证了设计方案的可行性和有效性，为未来类似项目提供了宝贵经验。

结束语

本文的研究为光伏支架结构设计与优化提供了重要参考，对于提高太阳能发电系统的稳定性、可靠性和经济性具有重要意义。未来的研究工作可进一步探讨光伏支架结构的材料选择、施工工艺优化等方面，为太阳能发电技术的发展做出更大的贡献。

参考文献

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[4]《光伏发电站设计规范》GB 50797-2012

[5]《铝合金结构设计规范》GB50429-2007