柔性光伏支架结构设计分析

柔性光伏支架结构设计分析

裴中凯

（国能龙源环保南京有限公司；江苏南京；210000）

摘要：我国近几年快速发展加大了电力资源的需求，为全面加强光伏发电的推广和应用，结合运行效率、运行管理和成本控制等多方面因素，采用柔性光伏支架结构并对其进行优化设计和规范升级，能够有效提升电力单元的整体运行效率。满足供电刚性和稳定性等需求等同时也能够让安全效益和经济效益达成统一。本文对柔性光伏支架的结构、功能和特性进行了介绍，通过实际案例形式来对柔性光伏支架结构设计进行分析并提出设计建议，旨在为我国柔性光伏支架结构优化提供有效参考。

关键词：柔性光伏支架；结构设计；分析研究

柔性光伏支架为大跨度的多连接跨度系统结构，这种结构通常采用两端固定点连接预应力钢丝绳进行张拉的形式工作，两端的固定点为刚性的结构，与外测斜拉钢绞线能够形成反力对结构提供支撑。柔性光伏支架的最大跨度能够达到10m-30m，能够满足植被增加和山峦起伏的各类条件，在合适位置设置时只需要通过预应力钢绞线或者钢丝绳进行拉紧即可。在水位变动不大的环境中也能够达到基础、刚性柱以及柔性支撑的构造，应用在鱼塘或者湖泊当中。

1、柔性光伏支架结构、功能及特性

1.1 结构组成

柔性光伏支架结构由采光支架单元、角度调节单元以及支撑单元组成。

（1）采光支架单元

采光支架单元为支架结构的基础单元，功能为承载光伏系统组件，能够管理和约束光伏组件的自由度，也能够对运行轨迹进行控制和规范，能够有效确保采光的整体效果。采光支架通常能够承载4块组件，组件的质心为相互连接，需要确保光伏组件的后采光支架中心能够处于几何的中心位置。同时，子支架与辅助支架需要采用U型螺栓进行连接和固定。

（2）角度调节单元

角度的跟踪调节单元模块通常设置2个，结合子结构来对角度进行调节和控制。采用电动缸作为驱动对太阳高度角进行跟踪调节，通过压缩处理对采光支架单元进行实时的调控，确保能够对太阳高度角进行完整地跟踪。太阳方位角方面则采用电机驱动结合涡轮蜗杆传动机构来进行跟踪。

（3）支撑单元

支撑单元由1个支撑管与2个法兰盘组成，对整个支架起到支撑的作用。其特征为体积小、承载性能较好。结构方面通常采用回转体的型材，最常见的是空心圆管，在满足安全相关要求的同时也能够起到良好的支撑作用。

1.2功能要求

柔性光伏支架结构在功能要求方面主要为耐久性和安全性。柔性光伏支架所处的位置通常较为偏远，高低起伏大，周边环境可控性差，需要具备较强的抗风化、抗腐蚀和缓慢老化等特点，降低后期维护的难度，提升应用的安全水平。同时，柔性光伏支架结构应当能够确保光伏组件能够安全稳定的运行，能够对施工过程中以及正常使用中产生的突发情况进行有效应对。

1.3结构特性

柔性光伏支架的特性包括结构简单、质量轻、材料应用少、建设周期较短等优点，因其承重索使用的钢绞线等组件具有较大的弹性模量和高强度，能够进行较大跨度的张拉，可以广泛应用在场地起伏较大的环境当中。柔性光伏支架在地形地貌应用方面不具备较大的限制，可以因地制宜，与常规的刚性支架承受竖向荷载的特点不同，柔性光伏支架通过承重索进行预应力张拉形成刚度能够对光伏组件进行铺设，通过承重索的张拉来为支架提供水平的荷载。另外，承重索与柱顶所产生的水平拉力能够产生较大的拉拔力和剪力，从各个角度的水平力来考虑能够达到最合理的受力，对基础组件的要求也最低，这也是设计的亮点。

2、案例研究

2.1项目背景

本文结合县的林光互补光伏发电项目对柔性光伏支架结构设计进行分析。该项目位于低山地貌，周边的山坡走向连绵起伏、环绕陡峭，高程在左右，相对高差超过，地势结构以山林为主，坡度起伏较大，测量可得在左右。项目的整体占地面积为，因地貌走势影响无法采用传统的支架安装形式，转为采用柔性光伏支架。基础结构以及柔性支架可在山坡上进行安装，采用微孔灌孔桩的基础结构结合钢绞线拉索固定光伏组件。因项目占地面积和施工环境等各方面因素影响，仅使用柔性光伏支架无法达到全覆盖的效果，为提升山坡的利用率，无法覆盖的空隙部分采用固定支架来填补。为确保支架结构能够达到25年以上的使用年限，钢构件采用了镀锌的防腐材料，光伏组件为的单晶硅单玻组件。

2.2结构设计

柔性光伏支架的荷载方式对比传统的刚性支架有一定的差异性，在承受竖向荷载的同时还能够承受因预应力张拉产生的额外水平荷载。钢支架作为系统当中的刚性组成部分能够将柔性受荷传递到地面上，这样就导致基础能够产生巨大的拉拔力和剪力。施工流程具体为：基础施工→预埋件定位安装→钢支架拼装→顶端钢支架安装调校→顶端安装斜支撑→安装中间部分钢支架并调校，整体结构布置如图1所示。

图1结构整体布置图

光伏发电板的固定和支撑力通过柔性索来提供，能够有效起到固定的作用。柔性索和其他的组件进行稳定连接可以确保柔性光伏系统的稳定性和安全性，以此为基础本文可选择的参考连接结构包含以下三种：光伏组件—钢绞线连接结构、钢绞线—支架连接结构、组件保护结构。

2.2.1光伏组件—钢绞线连接结构

这种结构包含2条柔性索和4个压块，通过柔性索结合连杆来固定光伏发电板，这样能够有效提升柔性索的稳定性，避免因为外力的影响出现柔性索摆动的情况，提升光伏板的整体稳定性，铝合金压块板平面布置如图2所示。

图2铝合金压块平面布置图

需要注意的是，铝合金压块的生产需要根据光伏发电板的组件边框尺寸来确定大小，通过压块来固定光伏发电板及柔性索，能够避免风力过大对光伏板的稳定性造成影响。铝合金压块与光伏组件和钢绞线进行连接时通常采用两道螺栓和绳夹，上方也设置了固定用倒钩，具体连接形式如图3所示。

图3光伏组件—钢绞线连接截面示意图

2.2.2钢绞线—支架连接结构

柔性光伏支架结构的核心是柔性索，需要确保柔性索与顶端部分和中间支架的部分能够进行牢固的连接。本次项目中采用的结构，主要采用钢绞线对顶端部分和中间支架进行连接。这种方法采用的锚具需要具备较强的稳定性，应当确保钢绞线能够始终处于稳固连接的状态。通常锚具外需要预留1.5m-2.0m的钢绞线，确保预张拉能够满足施工要求。顶端支架的受力最大，能够与基础结构产生巨大的作用力，为提升支架体系的安全性和稳定性，需要增设斜拉杆在顶端支架的外侧部位，通常会采用单锚杆、双锚杆等形式。

另外，采用钢绞线—中部支架的连接形式更加便利，只需要采用绳夹将钢绞线与中部支架进行固定即可，支架能够承受钢绞线上的竖向荷载。

2.2.3组件保护结构

柔性光伏支架之间具有较大的跨度，需要考虑到地势和气候条件，尤其是大风的气候条件下需要考虑其稳定性，避免柔性索出现大幅度晃动的情况。因此柔性支架需要通过削弱外力影响来加强光伏发电板的保护，尽可能延长光伏发电系统的使用年限。本次工程项目采用了间断设置连杆的形式，有效降低了侧向外力的影响，也降低了钢绞线不平衡振动的发生情况。通过防风缆绳与连杆进行连接来对顶端部位和中间支架进行有效固定，提升光伏发电板的稳定性和安全性，避免光伏发电板因为强风出现过度振动导致损坏的情况，最大限度削弱了外力的冲击。

另外，为了能够充分发挥柔性光伏支架的特点，避免防风缆绳张拉过紧，对防风缆绳的结构进行优化能够进一步提升柔性光伏支架体系的抗风能力，通过增设缓冲弹性构建来对抗风阻尼进行有效预判，一旦出现强风就能够出现缓慢变形来对强风冲击力进行削弱。

2.3设计建议

（1）中心柱设定为摇摆柱时，迎风状态下摇摆柱与钢绞线会出现横向移动情况，与钢绞线呈现出几何的系统，这种系统是可变的，柱顶会出现不稳定的大范围的水平位移。因此需要为中心柱顶部提供水平力来阻拦中心柱出现弯曲的情况，可将立柱之间的支撑设置在第一立柱的两端中间，有效避免中心柱变形的情况发生。

（2）钢绞线固定在柱顶的时候接头位置极容易出现弯折角度过大出现强度不足的情况，可以通过辅助工具如鸡心扣和UT线夹来对其进行有效固定，提升其强度。

结束语：综上所述，柔性光伏支架结构能够应用在高低起伏的环境当中，具有广阔的应用前景。设计人员及后期维护人员需要对结构整体的稳定性加以重视。在安装和维护等方面应当提升防腐蚀的强度。随着科技的不断进步，柔性光伏支架的结构设计也会朝着更加经济、耐用以及安全的方向发展。

参考文献：

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