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太阳能光伏支架系统的应用

发布时间：2010-09-03

作者：张智      王聪慧

【摘  要】：太阳能光伏产业的兴起在我国方兴未艾，发展速度惊人，但也同时面临着产能过剩、重复建设、内需不足等诸多问题。
【关键词】：太阳能光伏发电

 

1.太阳能光伏发电在我国的发展现状和应用前景
1.1.太阳能光伏产业在我国的经济成本分析

    太阳能光伏产业的兴起在我国方兴未艾，发展速度惊人，但也同时面临着产能过剩、重复建设、内需不足等诸多问题。我国 PV电池生产量占全球的 28%（2008年），但国内使用量占年产量的不足 4%，巨大的产能并未被真正利用。其中开工建设的太阳能示范项目多以离网型应用为主，并网发电项目仅 1.2MW，大约占太阳能光伏总发电量的6%左右。

 

    由于太阳能发电与日照强度、时间，以及电池板的摆放位置和倾角有直接关系，因此发电量会随时间波动；另外，由于电池板不断老化，光电转化率也会逐年降低。这样，如果太阳能发电与热电并网，会对主电网的稳定性产生影响。这是技术层面上电网公司不愿意太阳能电站并网的主要原因。另一方面，对于其他发电方式，太阳能发电单位电量产能的成本最高，即每发一度电，太阳能发电成本为 3 元，而热力发电成本仅 0.25 元，两者之间相差 12倍，风力发电成本为 0.6 元，已经与核电成本相当接近。因此，太阳能发电成本过高已经成为制约这个产业发展的直接原因。目前中央提出建设节约型社会，提倡绿色经济和低碳排放，对太阳能发电上网给与财政补贴，单位发电成本可以降低至 1.5元/Kwh。
    根据哥本哈根宣言和京都议定书的精神，各碳排放大国纷纷承诺降低本国碳排放量，发达国家正在谋求将碳关税引入国际贸易。从这个角度讲，太阳能发电在未来市场是有一定竞太阳能光伏支架系统的成本分析 太阳能光伏支架系统的成本分析 太阳能光伏支架系统的成本分析 太阳能光伏支架系统的成本分析争力的。另一方面，从我国自身条件讲，对比欧洲各国，我国领土广漠，中西部地区地广人稀，日照充足，超过 2/3的国土面积，年平均日照时间超过2200小时，适合建设太阳能光伏电站。其中，西藏、青海等地区全年少雨，日照时间超过 3000 小时，应重点建设太阳能光伏电站。
1.2.  太阳能光伏支架系统的成本分析
    根据德国的统计数据，在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，而太阳能光伏支架的投资仅占总成本的 3%左右。因此，相对于太阳能电站高额的投资，支架成本的波动并不是敏感因素，选择高端支架的成本仅提高不足1%，然而如果选用的支架不合适，后期养护成本会大大增加，整体考虑并不合算。

2.太阳能光伏支架系统的产品与安装
2.1. 太阳能光伏支架系统的材质
    目前我国普遍使用的太阳能光伏支架系统从材质上分，主要有混凝土支架、钢支架和铝合金支架等三种。混凝土支架主要应用在大型光伏电站上，因其自重大，只能安放于野外，且基础较好的地区，但稳定性高，可以支撑尺寸巨大的电池板，这种支架形式不是本文讨论的重点。 铝合金支架一般用在民用建筑屋顶太阳能应用上，由于铝合金具有耐腐蚀、 质量轻、美观耐用的特点，但其承载力低，无法应用在太阳能电站（Solar  Park）项目上。另外，铝合金的价格比热镀锌后的钢材稍高。
    钢支架性能稳定，制造工艺成熟，承载力高，安装简便，广泛应用于民用、工业太阳能光伏和太阳能电站中。其中，型钢均为工厂生产，规格统一，性能稳定，防腐性能优良，外形美观。值得一提的是，组合 组合 组合 组合钢支架系统，其现场安装，只需要使用特别设计的连接件将槽钢拼装即可，施工速度快，无需焊接，从而保证了防腐层的完整性。这种产品的缺点是连接件工艺复杂，种类繁多，对生产制造、设计要求高，因此价格不菲。
    2.2. 太阳能光伏支架的安装方式 太阳能光伏支架的安装方式 太阳能光伏支架的安装方式 太阳能光伏支架的安装方式
    2.2.1.太阳能光伏支架的组件 太阳能光伏支架的组件 太阳能光伏支架的组件 太阳能光伏支架的组件 从连接方式上划分，太阳能支架的安装可以简单地分为焊接和拼装式两种。焊接支架对型钢（角钢）生产工艺要求低，连接强度较好，价格低廉，是目前市场上普遍采用的支架连接形式。但焊接支架也有一些自身缺点，例如连接点防腐难度大，如果涂刷油漆，则每1至2年油漆层会发生剥落，需要重新涂刷，后续维护费用较高；另外在野外施工时，特别是离网地区安装时，焊接用电成本较高；工速度慢，不够美观等。随着我国城市化水平的提高，居民对建筑物美观的要求越来越高，民用建筑中使用的光伏支架系统，则不太适合使用焊接支架。
    为了克服这些缺点，市场上出现了以槽型钢为主要支撑结构构件的成品支架。拼装支架的最显著优点是拼装、拆卸速度快，无需焊接；所有支架构件均为工厂生产，防腐涂层均匀，耐久性好；施工速度快，美观。但是要做到以上几点，并不容易。首先，要做到槽钢之间连接方便，必须根据各种连接情况，设计出不同的拼接件和固定装置（如图所示）。连接固定装置必须能够牢固的连接拼装件和槽钢，可以在槽钢的任意位置被固定锁紧，且安装拆卸方便。其次，槽钢之间的连接需要确保牢固，例如通过齿牙咬合等。最后，整段槽钢现场切割需要尽量做到精准、方便，还不能切断背孔。这就需要槽钢增加刻度标记，方便施工人员现场切割。

 

    太阳能行业常用吊挂产品

 

2.2.2太阳能光伏支架底座的链接方式
    太阳能光伏支架的底座安装主要有四种方式，即直接埋入式、预埋件连接、地锚法和混凝土块配重等（见下图）。

 

图：双排立柱的不同基础形式

 

    双排立柱式支架的四种不同基础形式可以根据实际情况选择，其中混凝土块配重和预埋件的方法经常应用与屋顶太阳能建设或改造，这样可以有效避免破坏屋顶防水层等结构；地锚法和直埋式常用于太阳能电站的建设中，具有稳固、可靠性高的特点。
    根据欧洲的施工经验，地锚法施工基础最为牢固，安全性最高，但是地锚与太阳能光伏支架连接部位需要特别定做，造价很高。相比之下，直埋式施工简便，只需要使用开孔机在现场开孔并灌注混凝土，在混凝土未凝固之前将槽钢直接插入孔中即可，但是与地锚法相比，直埋式基础对现场土壤的自立性要求较高，需要进行前期的地质勘测试验。当然，在地质情况非常有保障的情况下，也可以不做前期的地质勘探。
    太阳能光伏支架主、次梁的排布方式主要取决于电池板的安放方法。总的来说，由于电况允许的前提下，直埋法显然优于地锚法。
    太阳能光伏支架的结构设计池板是矩形的，就可以将排布分为横向排布和竖向排布。横向排布，即太阳能电池板的短边与地面平行，需要的次梁数量少，但主梁所受集中荷载较大，多用于双排电池板布置的项目；竖向排布，即太阳能电池板的长边与地面平行，需要的次梁数量多，一般一块电池板需要架设两列次梁，多用于单排电池板布置的项目。
    支架的支腿位于主梁下。如果采用前后支腿形式，则支架属于超静定结构，前支腿要承受支架 80%的剪力（主要是风压），同时为了确保支架整体的稳定性，通常需要增加斜撑；如果采用三角形支架，则前支腿换成 MQP连接件，不需要再增加斜撑，但采用这种设计，太阳能电池板距离地面较近，在草原地区，需要进行除草作业。

 

2.3太阳能光伏支架系统的技术难点
    事实上，成品支架的制造工艺并不简单，高质量的产品往往具有多项技术专利。
    其一，高质量的型钢通常具有高水平的镀锌工艺。根据国家标准的要求，镀锌层平均厚度应大于50微米，最小厚度大于45微米。事实上，很多产品的镀锌层平均厚度虽然可以达到要求，但最小厚度小于40微米，实际使用中常常出现点蚀。卤素对钢材的腐蚀速度非常快，一年之内就可能造成整体支撑结构的弱化，造成安全隐患。因此，做到高度均匀的镀锌工艺并非易事。
    其次，型钢钢材的连接是一个技术难点。一些国际知名品牌经过多年研发，形成了一整套有效的连接方法。这里不仅包括连接件上巧妙的构思，还要配合槽钢背孔、咬合齿牙的设计等等。这其中涉及到冲压、铸造等多方面钢铁冶金技术。
    另外，用于承受较大荷载的双面槽钢，必须进行背靠背焊接。各种焊接工艺之间水平有很大差距。压力激光焊接可以保证全断面均匀连结，两根槽钢完全合为一体，共同受力；而电焊技术只能使两根槽钢部分固定在一起，受力形式更接近于叠合梁。有些型钢生产商为了提高承载力，还对槽钢增加了加劲肋的冷轧。
    总之，拼装式型钢支架的生产工艺存在诸多技术难点，需要我国冶金工程技术人员攻克技术壁垒，进一步降低其使用成本。

 

3.太阳能光伏支架的计算方法
    太阳能光伏支架在计算前首先要确定太阳能电池板的排列方式。一般分为单行排列、双行排列和三行排列等三种形式。在确定了电池板的基本参数和排列方式后，根据安装地点就可以确定风压、雪荷载系数。计算荷载时需要校验风荷载组合、雪荷载组合以及净荷载控制效应组合等三大类组合荷载。 基本风压、风压高度变化系数、风振系数等可以从规范中查得。

 
3.1.荷载组合
风荷载控制的荷载组合：L=1.2·G+1.4·W+1.4×0.7·S 
雪荷载控制的荷载组合：L=1.2·G+1.4×0.6·W+1.4·S 
静荷载控制的荷载组合：L=1.35·G+1.4×0.6·W+1.4×0.7·S 
总重G的计算方法：支架重+电池板重
风荷载W 的计算方法： W_k=w₀·µ_z·µ_s·µ_z（方向垂直于电池板面）
雪荷载S的计算方法：  S_k=µ_r·S₀（方向垂直于水平面面）
 
    各项系数，请查阅建筑物荷载国家标准（GB50009）。根据欧美太阳能电站的设计经验，计算风荷载时，可以将整个区域划分为遮挡区与非遮挡区。非遮挡区位于整个电站的外围，受到的风压会大大高于位于中心的遮挡区，因此需要分开计算风压。这样分类的目的是使得支架的用材更为经济，大大降低太阳能电站的土建投资。不过我国各类规范中尚未明确这种设计方法的可行性，可根据业主的具体需要进行设计。

3.2.  受力分析与荷载校核
    确定了荷载以及基本结构形式，即可验算主、次梁和竖杆的承载力。次梁受力形式为连续梁承受多个集中荷载，设计验算次梁的弯矩、挠度。如果有角度，则验算次梁其他两个方向的受力情况。按次梁的个数验算主梁的弯矩和挠度。最后算出竖杆支点的支座反力，以及次梁的轴向反力，两者反力相加。再按分水平方向及竖直方向分解。水平方向的分力校核竖杆的弯矩（只适用于前面较短的支柱，后面的支柱不必验算弯矩），根据连接处的反力选择合适的配件。
    一些实力较强的支架生产商均提供太阳能支架的设计和验算服务，可以大大降低设计和建设方的工作难度。

 
4.总结
    综上所述，太阳能光伏发电产业在我国前景光明，是未来支撑我国建设绿色经济的重要支柱，政府管理部门、电力电网企业和光伏构件生产商应共同合作，建立一个健康发展的太阳能产业市场。
    具体到太阳能支架，生产商、 冶金研究机构应努力升级产品的技术含量，降低生产成本，在技术水平、营销方式、售后服务等多方面提高自己与国际品牌的竞争力，让我国的太阳能光伏发电项目用上质量上乘的支架系统，使客户享受到勘查、设计、选材、安装、维护的一条龙服务。

 

 

 

 

来源：喜利得（中国）商贸有限公司北京分公司  市场部 规范认证工程师
      喜利得（中国）商贸有限公司北京分公司  市场部 规范认证总监、高
      级工程师
作者：赵晓燕

 

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