光伏电站支架及基础设计

周 颖

中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司

我国太阳能光伏发电发展潜力巨大，近年来，配合积极稳定的政策扶持，光伏电站建设取得了巨大成就。在光伏电站设计中，支架设计是确保太阳能光伏系统安全性、使用性的关键。以某光伏电站为例，结合场地工程地质、气象条件等基本资料，通过有限单元计算分析，制定出经济合理的支架形式，基础采用独立基础。

引言

在众多的可再生能源中，以太阳光能的资源数量最丰富、分布范围最广泛，而且把太阳能转换成电能的技术已相当成熟，适宜推广普及。建立光伏电站具有建设周期短、投资回收期长等优势，其发展势头迅猛。在光伏电站建设中，支架是确保光伏系统安全可靠，正常使用的基础。本文总结了某光伏电站支架结构设计，以期为越来越多的光伏电站建设带来帮助。

项目概况

某光伏电站拟建电场规模为50MW，场区面积为10.6km2，拟建场地地面海拔高程约在1690～1700m。

建筑场地划分为对建筑抗震有利地段，不存在不良地质作用。建筑场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期为0.10s。根据调查，地下水位埋深较大，电场各建构筑物基础埋深很浅，可不考虑地下水的影响。标准冻结深度为1.40m。项目区最大风速以28m/s。场地土类型主要为卵石，地基土主要物理力学参数见下表。

表1 地基土的主要物理力学参数

电池板每个组件1650mm×992 mm×40mm。采用固定式，支架倾斜角度33°。所有电池组件支架由立柱、斜梁、斜撑、檩条及连接部位的附件组成，立柱、斜梁、斜撑檩条为均为薄壁型钢，连接螺栓以及螺母垫片等采用C级不锈钢螺栓。所选用钢结构主材材质不低于Q235B。

光伏支架设计

控制标准

变形控制标准

风荷载取标准值或在地震作用下支架的柱顶位移不应大于柱高的1/60。

受弯构件挠度容许值不应超过表2 的规定。

结构应力控制标准

本工程设计年限为25年，支架采用冷弯薄壁型钢，Q235B 型钢材，结构应力应满足《钢结构设计规范》（GB50017）等相关规范要求，应力取值为205kN/m2。

荷载及荷载组合

荷载

（1）恒载

光伏电池板自重为每个组件19.5kg，20 片组件一个阵列，电池板自重390×10=3.9KN

阵列自重=电池+边框+接线盒=6KN（估算）

自重标准值取值0.2 kN/m2

（2）可变荷载

50年一遇，基本雪压为0.2 kN/m2

雪荷载标准值0.2×0.6=0.12 kN/m2

50年一遇，基本风压为0.35kN/m2

施工和检修集中荷载根根光伏设计规范：取值1kN。

荷载组合

荷载组合主要考虑结构恒载和可变荷载，其中风荷载考虑两种工况，如表3 所示。

表2 受弯构件挠度容许值

表3 风荷载工况

根据工程实际情况，荷载组合如下：

（1）1.20 恒载

（2）1.20 恒载+1.40 风载工况1+1.0 雪压

（3）1.20 恒载+1.40 风载工况2+1.0 雪压

（4）1.00 恒载+1.40 风载工况1

图1 计算模型图

图2 组合位移结果Uxyz（mm）

图3 支架基础尺寸图

（5）1.00 恒载+1.40 风载工况2

（6）1.35 恒载+1.40×0.60 风载工况1

（7）1.35 恒载+1.40×0.60 风载工况2。

内力及位移计算结果

计算模型

利用有限元软件建立三维空间模型。梁端和柱顶之间取为固结。柱底和基础之间取固定端。结构构件的受拉强度应按净截面计算受压强度应按有效净截面计算稳定性应按有效截面计算构件的变形和各种稳定系数可按毛截面计算，计算模型见图1。

计算结果

经过数值计算分析，在荷载组合工况2 时，支架产生最大内力。最大内力统计表如表4 所示。

表4 最大内力统计表

强度和整体稳定校核

强度校核时，前柱、后柱及斜撑主要通过最大应力比、长细比校核，主梁、次梁还应对挠度进行校核。容许长细比[λ]取180，容许挠度对于主梁取1/250，次梁取1/200。最大组合位移结果如图2 所示，对典型单元验算结果详见表5。由计算可知，设计所选用的材料参数是满足结构安全要求的。

根据地质勘测资料，支架主要持力层为砂砾卵石层，为冻涨等级为Ⅰ级，冻涨类别为不冻涨。基础宽度不小于0.6m，基础地面允许最大冻土深度为0.7m。

基础埋深dmin=zd-hmax=1.4-0.7=0.7m，基础埋深最终取值0.8m。

阵列下布置8 个独立基础，具体尺寸如图3 所示。

基础设计

表5 典型单元验算结果表

防腐设计

所有钢构件、紧固件（除内六角螺栓外）均应热镀锌防腐镀锌层厚度不小于75μm，内六角螺栓外采用粉末渗锌处理，处理厚度不小于30μm，防腐寿命不低于25年，热浸镀锌满足《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》GB/T13912-2002 中规定。铝合金构件采用阳极氧化处理措施，阳极氧化膜厚度不小于15μm。

结束语

光伏发电是目前国内外开发利用新能源和可再生能源的重要内容，近年来，我国加大了对太阳能光伏的推广和应用。在太阳能光伏的应用中，光伏组件支架设计是确保太阳能光电组件安全性、使用性的关键。文中以某光伏项目为背景，详细进行了该光伏支架的设计。