隨著科技的快速發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的提高，可再生能源受到了越來越多的關(guān)注。其中，光伏發(fā)電作為一種清潔可再生能源，正得到廣泛的應(yīng)用。太陽(yáng)能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，目前市面上應(yīng)用最多的太陽(yáng)能電池組件為單面組件，即組件僅支持向陽(yáng)面發(fā)電。隨著技術(shù)的進(jìn)步，正反兩面都能發(fā)電的雙面電池組件也得到了更多的應(yīng)用。經(jīng)測(cè)算，雙面組件能提高發(fā)電量10%~30%。而且，雙面組件能夠減少光伏系統(tǒng)中的陰影效應(yīng)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。但傳統(tǒng)單面組件采用的“檁條+橫梁”的支架體系會(huì)對(duì)雙面組件背面造成遮擋，不利于雙面組件發(fā)電效率的提升。
因此，本文針對(duì)雙面組件的特點(diǎn)，提出了一種新型的雙面組件支架結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)采用常見的光伏支架，具有安裝簡(jiǎn)便、成本低的優(yōu)勢(shì)，可供分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目參考使用。
對(duì)于單面光伏組件，常用的支架方式如圖1所示。
該支架體系由前后兩根立柱支撐一根橫梁，沿橫梁縱向搭設(shè)檁條，檁條之上通過壓塊將組件固定。該體系通過前后立柱的混凝土配重墩固定在屋面或者地面上。結(jié)構(gòu)橫向由斜撐形成固定體系，縱向由混凝土基礎(chǔ)和檁條形成固定體系。經(jīng)眾多實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)體系能滿足光伏使用的結(jié)構(gòu)安全需要。
單面光伏組件只有一面有PN結(jié)，因此只能從一面吸收太陽(yáng)能。而雙面光伏組件正反兩面都有PN結(jié)，可同時(shí)從兩面吸收太陽(yáng)能。因此，雙面光伏組件的支架檁條應(yīng)位于組件邊緣，否則支架縱向檁條會(huì)對(duì)雙面組件背面造成遮擋，大幅降低雙面組件的發(fā)電優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，還應(yīng)盡可能避免其他電氣設(shè)備( 如組串式逆變器)等對(duì)組件背面造成遮擋。
光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)，按25年重現(xiàn)期確定基本風(fēng)壓；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，按50年重現(xiàn)期確定基本風(fēng)壓，并考慮1.6的安全系數(shù)。垂直作用于光伏支架結(jié)構(gòu)或光伏組件表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，可按下式計(jì)算：
wk=βzusuzw0
式中：
wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kn/m2）；
βz——高度z處的風(fēng)振系數(shù)；
us、uz——風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)荷載高度系數(shù)；
w0——當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓（kn/m2）。
除橫向風(fēng)荷載外，還應(yīng)考慮縱向風(fēng)荷載對(duì)支架產(chǎn)生的水平力。計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，需注意風(fēng)荷載方向性，如圖2所示。
4.2 雪荷載
作用于光伏支架水平投影面上的雪荷載，重現(xiàn)期取25年；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，按50年重現(xiàn)期確定雪荷載。安裝在建筑物屋頂上的光伏組件，應(yīng)考慮迎風(fēng)面、背風(fēng)面、遮擋物等造成的積雪不均勻分布系數(shù)。
4.3 荷載組合
光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。前者主要計(jì)算支架構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及連接強(qiáng)度；后者主要計(jì)算支架的變形、裂縫等。荷載效應(yīng)計(jì)算分兩種工況，分別為抗震驗(yàn)算和非抗震驗(yàn)算。
● 非抗震驗(yàn)算時(shí)，荷載效應(yīng)的基本組合按下式計(jì)算：
式中：
Sd——荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；
γG——永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；
γW、γS——風(fēng)荷載、雪荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.5；
SGK、SWK、SSK——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)、雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；
ΨW、ΨS——風(fēng)荷載、雪荷載的組合值系數(shù)，當(dāng)風(fēng)荷載或雪荷載為主導(dǎo)荷載時(shí)，組合系數(shù)取1.0；
● 抗震驗(yàn)算時(shí)，荷載效應(yīng)的基本組合按下式計(jì)算：
式中：
Sd——地震組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；
γG、γE、γW——重力荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；風(fēng)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.5；
SGE、SEhK——重力荷載代表值的效應(yīng)、水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；
ΨW——風(fēng)荷載的組合值系數(shù)，當(dāng)風(fēng)荷載起控制作用時(shí)，取0.2，否則取0.0；
由于雙面光伏組件背后不宜有遮擋，因此雙面光伏組件不適合采用立柱“橫梁+檁條”的結(jié)構(gòu)體系。因此，可將檁條取消，將光伏組件直接連接到兩側(cè)的橫梁上，如圖3所示。
每塊光伏組件兩側(cè)均設(shè)置橫梁，組件通過壓塊和托片固定到橫梁上，橫梁通過前后立柱固定到基礎(chǔ)上。為了保證結(jié)構(gòu)側(cè)向的穩(wěn)定，前立柱沿縱向設(shè)置一根縱向支撐，后立柱沿縱向設(shè)置兩根縱向支撐，雙面光伏組件支架立面如圖4所示。該支架結(jié)構(gòu)體系取消縱向檁條，有效的避免了其對(duì)組件背面的遮擋。同時(shí)立柱設(shè)置的縱向支撐，提供了支架縱向的剛度，使支架在縱向形成穩(wěn)定的支架體系。具體安裝效果詳見第7節(jié)應(yīng)用案例。
圖4所示支架橫向結(jié)構(gòu)可根據(jù)立柱與基礎(chǔ)連接形式的不同，分為兩種結(jié)構(gòu)體系，柱底鉸接和柱底固結(jié)的形式。柱底鉸接形式為行架式橫向結(jié)構(gòu)體系，柱底固結(jié)為排架式橫向結(jié)構(gòu)體系。圖5所示兩種形式均為行架式橫向結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系前后立柱與基礎(chǔ)采用鉸接的形式，并且采用一根或者兩根橫向支撐提供側(cè)向剛度，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)不變體系。圖6所示三種形式均為排架式橫向結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系前后立柱與基礎(chǔ)采用固結(jié)的形式，并且采用一根或兩根縱向支撐提供側(cè)向剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力穩(wěn)定性。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)同傳統(tǒng)光伏支架。
5.2 支架縱向結(jié)構(gòu)體系
支架縱向結(jié)構(gòu)體系根據(jù)立柱與基礎(chǔ)的連接形式不同，同樣分為兩種結(jié)構(gòu)體系，柱底鉸接和柱底固結(jié)的形式。柱底鉸接形式為行架式縱向結(jié)構(gòu)體系，見圖7。柱底固結(jié)為排架式縱向結(jié)構(gòu)體系，見圖8。
從圖7可以看出，行架式縱向結(jié)構(gòu)體系由于柱底鉸接，立柱縱向必須設(shè)置縱向斜撐以保證支架縱向形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于排架式縱向結(jié)構(gòu)體系，由于立柱底部固定，縱向支撐根據(jù)實(shí)際受力情況確定是否設(shè)置。不論行架式還是排架式支架體系，縱向橫撐均設(shè)置在立柱上，距離組件背面有一定的距離，這樣能有效地避免桿件對(duì)雙面光伏組件的遮擋，從而能更好地發(fā)揮雙面組件的優(yōu)勢(shì)，提高發(fā)電量。
5.3 支架材料
本創(chuàng)新支架方案的優(yōu)勢(shì)就在于能采用常規(guī)的光伏支架桿件及材料，具有廣泛的適用性。常用桿件如圖9所示。
圖10為光伏常用壓塊和墊片，壓塊與墊片采用螺栓擰緊，中間夾光伏組件實(shí)現(xiàn)固定。
為驗(yàn)證支架整體的穩(wěn)定性和承載能力，通過ABAQUS有限元軟件對(duì)支架進(jìn)行仿真。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，以河南鄭州項(xiàng)目為例，該地區(qū)25年基本風(fēng)壓為0.38kn/m2，通過本文4.1條調(diào)整后風(fēng)壓取值0.72kn/m2。通過面荷載施加給支架體系。圖11及圖12分別為排架式和行架式支架整體仿真結(jié)果，結(jié)果顯示風(fēng)壓產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)橫梁最大位移分別約0.19mm、0.49mm，小于橫梁計(jì)算跨度的1/250，滿足《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50797-2012）。風(fēng)壓產(chǎn)生的柱側(cè)側(cè)移分別為0.1mm、0.36mm，小于柱高的1/60，同樣滿足規(guī)范要求。因此結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性符合要求。
需要指出，排架式支架比行架式支架結(jié)構(gòu)約束更多，超靜定次數(shù)更高，因此結(jié)構(gòu)位移小，穩(wěn)定性好。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度，本文推薦采用排架式支架結(jié)構(gòu)體系。
6.2 壓塊與橫梁節(jié)點(diǎn)仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證壓塊與橫梁節(jié)點(diǎn)部位的受力，取一根橫梁采用三維應(yīng)力單元進(jìn)行仿真分析。風(fēng)荷載施加到壓塊上，通過壓塊傳遞給橫梁，三角連接件底部設(shè)置固定支座，見圖13，橫梁通過三角支座固定。
設(shè)計(jì)規(guī)范要求，支架采用的螺栓均固定擰緊。因此，各部分可視為緊密結(jié)合，不產(chǎn)生滑移，采用共單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真分析。通過圖14及圖15可以看出，風(fēng)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力在橫梁上，為160.2MPA，小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPA。
從圖16可以看出，風(fēng)壓產(chǎn)生的最大位移為0.95mm（特別指出該位移與圖11、12所示位移不同，是因?yàn)楹奢d施加方式不同，圖11及圖12僅為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)體系整體穩(wěn)定性，因此荷載采取沿橫梁施加線荷載的方式），橫梁截面無翹曲，因此，該創(chuàng)新壓塊節(jié)點(diǎn)滿足強(qiáng)度要求。
圖17及圖18為風(fēng)吸力作用下，節(jié)點(diǎn)與橫梁的位移和應(yīng)力圖。最大位移發(fā)生在壓塊上，為0.58mm，最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁上為96MPA，同樣小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPA。因此，風(fēng)吸力作用下，節(jié)點(diǎn)和橫梁同樣滿足強(qiáng)度要求。
本創(chuàng)新解決方案通過取消光伏支架檁條，將雙面組件支架安置在橫梁上，然后在前后立柱設(shè)置縱向支撐的方式，采用常見的材料，適用性強(qiáng)，既解決了雙面光伏組件背后遮擋的問題，又提供了足夠的支架支撐。通過實(shí)際工程檢驗(yàn)，取得了良好的效果。案例照片見以下附圖。
