通规下光伏支架优化设计

通规下光伏支架优化设计

摘要：结构通规的执行增加了光伏支架结构20舟的风荷载值，如何满足规范

下，不增大光伏支架设计再进一步优化？本文从支架结构优化、风荷载计算优化、

楝条布置优化、分区优化设计和镀锌铝镁橡条的应用建议多方面分析计算，和实

列项目数据的对比计算，提出了全部二力杆件的FV支架结构方案、风压高度变

化系数按优化公式计算的建议和3跨连续楝条布置方案等，在实际工程设计中，

具有一定的的经济效益和参考价值。

关键词：优化设计；光伏支架；二力杆件；风压高度变化系数；

OptimalDesignofPVSupporLBracketafterImpleuiexilalion

ofthe

GeneralCodeforEngineeringStructures

ZhangGuofci

(ChinaEnergyEngineeringGroupZhejiangThermalPower

ConstructionCO.,LTD,Hangzhou310016,China)

Abstract:Theimplementationofthegeneralcodeforengineeringstructuresincreased

thewindloadvalueofPVsupportstructuresby20%,howtomeetthespecificationwithout

increasingthePVsupportstructuresdesignandthenfurtheroptimization?Thispaperanalyzes

andcalculatesfrommanyaspectsofbracketstructureoptimization,windloadcalculation

optimization,purlinarrangementoptimization,zoningoptimizationdesignandapplication

suggestionofgalvanizeda1uminum-magnesiumpurlin,andcomparisoncalculationofactual

1istedprojectdata.ThestructuralschemeofPVsupportstructureswithallpullingand

pressingbars,thesuggestionofwindpressureheightvariationcoefficientcalculatedbythe

optimizationformulaandthe3-spancontinuouspurlinarrangementschemeareproposed,which

havecertaineconomicbenefitsandreferencevaluesintheactualengineeringdesign.

Keyword：optimaldesign;PVsupports：pullingandpressingbars;windpressureheight

variationcoefficient.

0引言

为保护全球环境，还我青山绿水，世界各国纷纷提出了碳排放碳达峰目标。

中国也最早提出3060双碳目标。可以预见不久将来为实现双碳目标，将会有成

千上万座太阳能发电厂在辽阔的地球上迅速建设投产，同时也将消耗掉数亿吨的

光伏支架钢结构，环保降耗必然要求采取合理的设计优化来降低用钢量。光伏支

架结构主要荷载自重、风雪和检修荷载，其中风荷载其控制作用的活荷载，属于

对风荷载敏感的结构，因此如何优化风荷载的计算取值是光伏支架结构优化设计

的关键，本文从结构选型布置方案、风荷载优化计算、棵条布置和选材多方面谈

谈作者作法和感想。

1目的及实列项目

1.1目的

通过对规范的理解应用，谈谈我国规范在光伏支架结构风压作用计算中的应

用分析和优化计算取值及结构布置等，解决结构设计人员在优化设计和结构安全

取舍，及优化通过审图专家审图等关切的问题。

最终使光伏支架结构设计既满足工程优化的需求，同时满足通规等标准的要

求，并顺利通过专家审困。

1.2实列项目

工程建设规模500MWac,地处我国甘肃地势平坦的戈壁沙漠地区（地面粗糙度

B类），50年一遇10分钟10m高平均最大风速为29.7m/s,

重现期50年基本风压：0.55kN/m2,重现期25年风压：0.47kN/m2；

22

重现期50年基本雪压：0.20kN/m,重现期25年雪压：0.19kN/mo

抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组第三

组。

光伏支架采用倾角35。固定支架，支架高度结构3.1叫光伏板顶标高3.4米,

最低点高于地面0.5米，光伏板中心标高2.0米，PV支架（同光伏支架）结构如

图1示。

作者简介：

张国飞（1980-）,男，汉，河南信阳人，高级工程师，大学本科，学士学

位，主要从事工程咨询设计管理及土建设计，《光伏支架结构设计规程》编者。

图1PV支架结构图

2光伏支架结构优化

光伏支架结构分为固定式支架、固定可调支架和跟踪支架。跟踪支架一般按

设备采购，由厂家负责计算设计生产，并经风洞试验验证，一般都很经济，优化

空间较小。本文主要针对固定光伏支架做结构优化设计探讨。

2.1支架结构横向布置优化

光伏支架结构是钢结构或轻钢结构，因此要充分发挥钢材的材料特性，结构

布置采用受力简单的二力杆，节点采用较接的支架结构体系。

2.2支架结构纵向布置优化

光伏支架纵向结构，受到纵向风荷载很小，从《光伏支架结构设计规程》⑴

（以下简称支架设计规程）知光伏支架纵向受到风荷载作用力仅为横向受力的

因此纵向结构满足《钢结构设计标准》⑵（以下简称钢结构标准）构造

基本风速指“一般空旷平坦地面B类粗糙度,离地10m高10分钟50年重现

期年平均最大风速”⑷。

“对雪荷载和风荷载，应取重现期为设计使用年限”⑷，光伏支架的设计使

用年限25年。支架设计规程规定“地面光伏支架设计时，应按25年重现期确

定基本风压”⑴，所以光伏支架设计时基本风速重现期按25年取值。

基本风压和基本风速的计算公式见式lo

Wo=留1600(1)

式中：甲。为基本风压(kN/m2)；人为设计风速(m/s)。

规范中一般风压的重现期年限分别为10、50和100年，那么重现25年的基

本风压需要根据已提供的气象资料中50年重现期的设计风速进行换算，由

PeterkaandShahidl998公式见式2。

vr=[0.36+0.1ln(12T)]v5((2)

计算出>25=0.93%0=27.621/7/ZS带入式1知»<,5=0.477A.W,同本实列项目

提供25年基本风压一致。

3.2风荷载计算公式

支架设计规程规定风荷载计算公式为：

”二"必/”(3)

式中：典.为风荷载标准值(kN/m。；£/为高度z处的风振系数；〃,为风荷载

体型系数；〃,为风压高度变化系数，对于地面光伏支架可取光伏板顶端高度；叱

为基本风压(kN/m2)。

因结构通规执行而影响计算结果的参数是风振系数取值，由执行前的1.0放

大到现在的1.2,其他参数新规没有变化，荷载计算优化怎么执行？

3.3风荷载计算优化

“风压高度变化系数，对于地面光伏支架可取光伏板顶端高度”⑴，以参照

光伏项目的概况，地面光伏支架的最高标高3.4米，考虑支架高度调整和厂区地

面高差影响，安全取值4.5米计算。查荷载规范正文结构高度〃W10米（地面粗

糙度B类），风压高度变化系数取值都是1.0,规范或许从安全概率出发考虑的

安全储备，比者认为风压高度变化系数应能体现风速的梯度变化，参照荷载规范

公式计算出结构对应高度的高度变化系数。

MinimumDesignLoadsforBuiIdingsandOtherStructures（ASCE/SEI

7-05）⑹（以下简称ASCE/SEI7-05）中速度压力暴露系数A；（相当国标的风压高

度变化系数）在空旷平坦的暴露类型（同中国规范的B类地面粗糙度）时的取值

见表1所列。

表1美标速度压力暴露系数表

422W

度

005015

(ft)

176W

度

2.2.1.6.14.6

(m)

1000

.04r.94.90.85

美标在国外项目中是通用执行标准，10米以下的速度压力暴露系数划分比较

细，仅在15英尺（4.6米）以下没在细分取值，笔者建议参照美标细分到4.5米,

计算如下。

荷载规范地面粗糙度B对应不同高度风压高度变化系数计算公式详式4。

外■1.00(面030(4)

式中：〃,是在高度Z处风压高度变化系数；

z是风荷载作用的位置高度；

计算高度4.5米处风压高度变化系数Uz=0.787,0.787X1.2=0.94,按此取

值后风荷载计算值比考虑结构通规1.2的风振系数还小了6%,工程量不仅没有增

加还存在一定优化空间，

4光伏支架楝条的优化设计

目前在设计用于安装光伏组件的楝条时，没有对支架上中下分区设计，全厂

C型钢型号一致，便于现场施工但不利于节能减排降低工程量。下面将从布置、

选材和分区设计等三方面优化设计。

4.1光伏支架楝条布置优化

楝条设计布置应考虑连续多跨模条的支座弯矩和跨中弯矩最优方案。从《建

筑结构静力计算手册》⑺中知，均布荷载下多跨连续梁支座弯矩大于跨中弯矩，

弯矩系数见表2所列。

表2等跨均布荷载连续梁最大弯矩系数表

连

续等跨2345

跨数

支

座弯矩

0.1250.1000.1070.1050.083

系数

跨0o000

中弯矩.0708.077.078.042

系数

弯

1,118

矩系数

25%00%07%05%3%

比值

无限等跨的简支连埃梁弯矩最小，最经济，但是考虑C型钢的运输长度和结

构变形问题，建议控制在3跨，端跨可设计一定悬挑长度进行长度的调节，此时

弯矩系数相对最小，工程量优化范围5%~25%,无限跨在结构工程中不存在。

4.2光伏支架楝条选材优化

光伏项目一般所在环境比较恶劣，设计一般采用热浸镀锌，生产过程不仅污

染环境而且工艺复杂，成本较高，现场磕碰损坏部分不能自修复，需要人工修补,

关键修补效果不好。

镀锌铝镁钢板制品的耐蚀性非常高，不仅是热浸镀锌铝合金钢板的5倍，更是热浸镀锌

钢板的10倍，且具有环保、美观、高耐腐蚀、自修复低成本和易加工等优点。

推荐采用镀锌铝镁钢板轧制的型钢，不仅可以有效优化工程投资降低一次成本，而且能

降低后期维护成本。

4.3光伏支架楝条分区设计优化

支架设计规程将光伏组件受风面划分了9个区域见下图，从高到低（近地面

端），每个区域体型系数见表3所示。

3

图3光伏组件受风面分区图

表3光伏组件风荷载局部体型系数表

¥

12345

架倾

°0°0°0°0°5°

角

/

1.01.32.12.32.71.8

1.11.31.72.22.71.8

1.01.21.51.72.11.6

sm0.40.50.81.51.71.6

s/310.70.80.81.01.11.1

♦320.40.40.60.91..11.1

负号为风吸，每个区域体型系数最大差异3倍多，因此棵条设计应上中下分段设计计算。

阵列数大于7排时应对前后中间不同位置的基础、光伏支架及槐条进行分区设计，特别

是中间区域考虑前后支架对风速的梯度降低的影响，风荷载优化效果显著。

5结论及建议

①PV支架结构优化应从结构纵横向及应力比控制角度优化。支架杆件应设

计成两端钱接的二力杆件，充分发挥钢材的轴向受力的强度，并注意风荷载重要

性系数的折减；

②PV支架风速重现期应按25年设计取值。风荷载高度变化系数应取组件最

高标高对应的高度变化系数进行优化设计，风压高