光伏组件柔性支架技术方案

  

  柔性支架采用两固定点之间张拉预应力钢绞线的方式,两固定点采用钢性基础提供反力,可实现10~30m大间距。这种设计可规避山地起伏、植被较高等不利因素,仅在合适的部位设置基础点并张拉预应力钢绞线;同时在水深较深的渔塘也可以在保持水位不动的条件下,实现基础及柔性支架的施工。

  设计中,钢绞线作为组件安装的固定支架,计算时需考虑自重,以及风压、雪压不同荷载组合下的工况,并进行受力分析。区别于传统支架的刚性变形要求的严格限制(主梁为L/250,次梁为L/200[1]),柔性支架对变形没有严格限制,目前可根据实际情况采用挠度容许值L/30~L/15,在这种变形条件下不影响钢绞线的力学性能,因此,柔性支架可以更好地适应大跨度方案,同时可控制好总造价。

  柔性支架方案是把传统钢性支架方案的檩条改为钢绞线的方式,其特点是钢绞线采用先线法提供预拉力,组件安装后在不同工况受力条件下允许钢绞线有一定的变形(本文按挠度容许值L/30论述),从而实现10~30m的大跨度支架,可满足不同地形的需要。由于钢绞线张拉预应力的存在,柱顶均会产生较大的水平拉力,导致基础底部弯矩较大,因此一般设计采用在柱顶用斜拉或支撑的方案平衡预拉力产生的水平力,以满足柱底抗倾覆的受力要求。

  根据柔性支架的整体设计方案及受力特点,基础形式可采用图1、图2两种形式。

  1)基础方案1:采用两个基础,一个是钢立柱基础,主要提供柔性支架竖向力的反力;另需配备一个斜拉索基础,承担钢绞线产生的水平力,并承担向上的拉力及向右的拉力,斜拉索基础属于配重式。

  2)基础方案2:采用两个基础,一个是钢立柱基础,主要提供柔性支架竖向力的反力;另需配备斜撑柱基础,承担钢绞线产生的拉力,且钢绞线对斜撑柱基础产生向下压力及向右的推力。斜撑柱基础底面积相对基础方案1略小。

  根据光伏组件的排布方式,柔性支架方案可分为横排和竖排两种(见图3、图4);根据跨长可采用单跨和多跨的方案,但因场地条件限制,单跨往往不能满足需要,则需要采用二跨、三跨,甚至更多,中间支座可采用摇摆柱方式有效控制钢绞线的挠度。

  支架与端柱及中间柱的连接均要求采用铰接固定方式,以减小应力集中;同时钢绞线张拉安装方便,便于缩短工期、节省造价。

  由于柔性支架具有跨度大且跨度范围灵活可调的优势,因此其适用范围更广,包括:

  2)适用于渔塘、滩涂等地区,突破传统支架受限于水深、区域大小等条件,通过柔性支架10~30m的大跨度方案优势,以及中间可另设支撑柱等方案,解决渔塘、滩涂等地区传统支架无法施工及安装的难点;

  3)适用于污水厂水池顶部,因污水厂水处理工艺的要求,大体积水池内部无法安装支架基础,柔性支架可巧妙规避这一难点,使污水厂水池建设光伏电站成为可能。

  光伏组件柔性支架系统是一种新型的支撑体系,通过将光伏组件固定在张紧于两柱间的钢绞线上的方式来简化组件支架系统。这是一种新型结构,在行业规范与标准中没有充足的设计依据;且该系统利用张紧的钢绞线的轴向拉力抵抗组件重力、雪荷载和风荷载等横向荷载,属于几何非线性受力体系,受力与变形特征复杂。

  为了合理设计柔性支架系统,保证其在不同工况下能够安全服役,同时也为其后续设计优化提供支撑,有必要研究不同工况下支架系统的受力与变形规律。

  受力计算时可采用理论分析与数值模拟两种方法,两种方法互相验证、互相补充。

  柔性支架的设计需考虑自重、风压、雪压不同荷载组合下的工况受力。对于主要受力结构,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值wk为:wk=βzμsμzw0(1)式中,βz为高度z处的风振系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;w0为基本风压。对公式中的参数取值重点说明:

  1)计算基本风压时,因空气密度越大,风压也越大,为安全起见,取-20℃时的空气密度值,即1.396kg/m3(20℃时为1.205kg/m3)。

  2)风压高度变化系数应按实际高度考虑,如组件高度为10m情况下,根据GB5009-2012《建筑结构荷载规范》,A类的风压高度变化系数为1.28,B类为1.00,C类为0.65,D类为0.51。

  3)风振系数:组件为风敏感结构,应考虑风压脉动对结构产生风振的影响。如组件高度为10m时,根据GB5009-2012《建筑结构荷载规范》,则不同地面粗糙度时的风振系数分别为:A类1.60、B类1.70、C类2.05、D类2.40。

  4)风荷载体型系数是指风作用在构筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力(或吸力)与来流风的速度压的比值,它主要与构筑物的体型和尺度有关,也与周围环境和地面粗糙度有关。

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