论文部分内容阅读
摘要：在光伏系统的设计中，光伏组件方阵的安装形式对系统接收到的太阳能辐射量有很大的影响，从而影响系统的发电能力。固定式光伏支架作为太阳能发电安装的一种形式，由于成本相对较低、后期维护量少等优点，越来越多的应用在大型高压并网光伏发电项目中。本文结合宁夏地区某光伏电站建设，从光伏电池方阵最佳倾角的确定、阵列间距的大小、固定支架强度以及支架基础稳定性方面阐述光伏电站的布置原则和支架系统的设计。
1 光伏电池方阵最佳倾角的确定
太阳总辐射等于直接辐射与散射辐射之和。而倾斜安装的太阳能电池组件表面上所接收到的辐射量包括直接辐射、散射辐射及地面反射分量【1】。根据站址位置气象资料水平面太阳辐射月总量，计算出每月日出水平面太阳辐射量。
（1.1）
根据公式（2）计算出代表日太阳赤纬角。
（1.2）
式中：n代表日从元旦之日算起的天数（天）
根据公式（1.3）、（1.4）计算出日出日落时间及太阳日照时间，
（1.3）
式中为当地地理纬度。
式中ω可取正、负两个解，其中负值对应日出角，正值对应日落时角，由此即可推断出当天日出、日落的具体时刻（用当地太阳，即当地太阳在正南上空为正中午12时）。由于日出和日落相对于当日正午是等时间间隔的，而地球每小时自传15°，由此计算出当天的太阳日照时数N。
（1.4）
光伏电池阵列正南放置，根据当地气象资料查出水平面每日直接辐射量总辐射比例，假设每天辐射量按余弦规律分布：
（1.5）
式中：N为当天的日照时数。
根据式1.5计算出日每一时段所对应的辐射量，分别计算出这一时段内直接辐射量和散射辐射量 。
根据公式1.6、1.7、1.8计算得到光伏阵列倾斜面上的直接辐射量、散射辐射量和反射辐射量
（1.6）
（1.7）（1.9）
式中：为倾斜面上直接辐射量（）；
为倾斜面上和水平面上时直接辐射的比值，根据公式（1.9）进行计算。对于向南的倾斜面
（1.10）
为倾斜面上散射辐射量（）；
为倾斜面上反射辐射量（）；
ρ为地面反射率（查表）
根据上式求出的、、求和，即为这一时刻此倾角太阳总辐射量，依次计算全天日照时所对应每一时刻的太阳总辐射量并且相加即为该天太阳能辐射量。通过建立数学模型，求得光伏阵列最佳倾角。
2光伏阵列间距的设计计算
并网光伏电站场区设计的原则是尽量减少占地面积，提高土地利用率和光伏阵列之间不得相互遮挡。根据光伏电站所处的纬度，按照取一年中冬至日太阳高度角最低，冬至上午9：00至中午15：00不遮挡为计算设计依据。
固定安装方式下，太阳能光伏板始终面向南方，随着太阳高度角、方位角变化，光伏板投影长度和光伏单元间距的关系如下图所示。
式中：L为光伏阵列间距；H电池板固定后的投影高度；为太阳高度角；β为太阳方位角；。
（2.2）
（2.3）
式中：δ为赤纬角，φ为 当地纬度；t为时角，0点为0度，每小时增加15°；由式2-2、2-3计算冬至日各时刻太阳方位角β和高度角值。根据光伏电站所处的纬度，按照取一年中冬至日太阳高度角最低，冬至上午9：00至中午15：00不遮挡设计依据本文最终选定冬至日9：00计算光伏阵列的间距。
3固定式支架强度计算
目前，由于国内太阳能支架生产厂家甚多，支架的形式也多种多样，这里以一种支架形式做简要的介绍，支架结构示意图见图3、图4。
圖4电池板正面示意图
太阳能电池阵列用支架结构设计时的荷载，主要有组件等构件自重和风压荷载、积雪荷载及地震荷载等。在宁夏地区电池板阵列的损坏多数在强风中发生，计算太阳能电池板阵列安装用支架结构时，假设荷载中最大的荷载一般是风压载荷。本文主要取电池板在逆风条件下的荷载计算。
自重荷载：主要包括组件质量、檩条质量、前后立柱质量及其它荷重。
风压荷载：假设从阵列后面吹来的风（逆风）风压荷载，
（3.1）
式中为风力系数。为空气密度；为风速；为迎风面积；为高度补正系数；为用途系数；为环境系数。
荷载组合：（3.2）
Q为总荷载。
3.1檩条强度计算
根据图3、图4的光伏支架的结构形式，支架檩条的受力示意图如下图。
根据图5、图6所示，横向檩条与纵向檩条节点受力存在以下关系：
=， （3.3）
檩条强度为： （3.4）
式中：为檩条的弯矩，为檩条的截面抵抗矩。
3.2立柱的计算
立柱与斜撑主要考虑电池板受顺风时的压弯破坏和逆风时的拉伸破坏。
压弯破坏由欧拉公式求得：（3.5）
式中：为材料的弹性模量，为截面惯性矩，为压杆实际长度，为长度系数。
拉伸强度由下式求得：（3..6）
式中为各杆件的拉伸张力，为各杆件的截面积。
3.3螺栓强度
根据假设的荷载条件，螺栓强度由图5、图6所示的檩条节点的反力确定。
螺栓的拉应力： （3.7）
式中为檩条节点的反力，A为螺栓的截面积。
3.4基础的计算
光伏支架基础采用螺旋钢桩基础。基础受力主要有电池板逆风上扬对基础的上拔力，顺风受压对基础的竖向力以及由此产生的水平力。由上文的假设荷载，主要考虑基础上拔力，因此基础钢桩可按抗拔桩设计。根据建筑桩基技术规范【2】，群桩呈非整体性破坏时，基桩的抗拉拔承载力标准值可按下式计算：
（3.8）
为基桩抗拉拔极限承载力标准值；为桩身周长，对于等直径桩取；为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；为抗拔系数。
基础的抗拉拔力由立柱和斜撑轴力正交分解得到，根据公式3.8，可判定所选基础形式是否满足设计要求，并与现场桩基拉拔实验结果进行对比。
4阵列式光伏支架的其它几点建议：
1）.支架阵列的侧向稳定性：阵列的侧向风载荷对支架阵列产生脉动冲击载荷，与风速、风频等因素有关，会引起系统的振动。在支架的侧面、背面加斜向拉筋，会减小支架阵列振动，增加支架系统的稳定性。
2）.支架阵列防风措施：在光伏支架阵列迎风面（光伏电池板背面）增加一道1.2m左右的防风土墙，将会较大程度的降低光伏支架阵列的风荷载强度。
3）.螺旋钢管桩的防腐要求：螺旋钢管桩基础在应用中不仅需满足抗压、抗拔、抗水平剪切的强度要求外，还需满足土壤腐蚀性对钢管桩的腐蚀性要求，并且需相关的权威检测机构对钢管桩做出防腐蚀评价。
结束语
本文对光伏阵列中电池板的倾角、前后间距、支架及基础的计算方法进行了简单的介绍，并对光伏支架在设计中要注意的事项提出了几点建议。
参考文献
1.杨金焕.固定式光伏方阵最佳倾角的分析［J］． 太阳能学报, 1992, 13( 1): 86～92．
2.建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008.
桂晓刚，男，汉族，1982年生，宁夏贺兰人，现从事变电土建设计工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
1 光伏电池方阵最佳倾角的确定
太阳总辐射等于直接辐射与散射辐射之和。而倾斜安装的太阳能电池组件表面上所接收到的辐射量包括直接辐射、散射辐射及地面反射分量【1】。根据站址位置气象资料水平面太阳辐射月总量，计算出每月日出水平面太阳辐射量。
（1.1）
根据公式（2）计算出代表日太阳赤纬角。
（1.2）
式中：n代表日从元旦之日算起的天数（天）
根据公式（1.3）、（1.4）计算出日出日落时间及太阳日照时间，
（1.3）
式中为当地地理纬度。
式中ω可取正、负两个解，其中负值对应日出角，正值对应日落时角，由此即可推断出当天日出、日落的具体时刻（用当地太阳，即当地太阳在正南上空为正中午12时）。由于日出和日落相对于当日正午是等时间间隔的，而地球每小时自传15°，由此计算出当天的太阳日照时数N。
（1.4）
光伏电池阵列正南放置，根据当地气象资料查出水平面每日直接辐射量总辐射比例，假设每天辐射量按余弦规律分布：
（1.5）
式中：N为当天的日照时数。
根据式1.5计算出日每一时段所对应的辐射量，分别计算出这一时段内直接辐射量和散射辐射量 。
根据公式1.6、1.7、1.8计算得到光伏阵列倾斜面上的直接辐射量、散射辐射量和反射辐射量
（1.6）
（1.7）（1.9）
式中：为倾斜面上直接辐射量（）；
为倾斜面上和水平面上时直接辐射的比值，根据公式（1.9）进行计算。对于向南的倾斜面
（1.10）
为倾斜面上散射辐射量（）；
为倾斜面上反射辐射量（）；
ρ为地面反射率（查表）
根据上式求出的、、求和，即为这一时刻此倾角太阳总辐射量，依次计算全天日照时所对应每一时刻的太阳总辐射量并且相加即为该天太阳能辐射量。通过建立数学模型，求得光伏阵列最佳倾角。
2光伏阵列间距的设计计算
并网光伏电站场区设计的原则是尽量减少占地面积，提高土地利用率和光伏阵列之间不得相互遮挡。根据光伏电站所处的纬度，按照取一年中冬至日太阳高度角最低，冬至上午9：00至中午15：00不遮挡为计算设计依据。
固定安装方式下，太阳能光伏板始终面向南方，随着太阳高度角、方位角变化，光伏板投影长度和光伏单元间距的关系如下图所示。
式中：L为光伏阵列间距；H电池板固定后的投影高度；为太阳高度角；β为太阳方位角；。
（2.2）
（2.3）
式中：δ为赤纬角，φ为 当地纬度；t为时角，0点为0度，每小时增加15°；由式2-2、2-3计算冬至日各时刻太阳方位角β和高度角值。根据光伏电站所处的纬度，按照取一年中冬至日太阳高度角最低，冬至上午9：00至中午15：00不遮挡设计依据本文最终选定冬至日9：00计算光伏阵列的间距。
3固定式支架强度计算
目前，由于国内太阳能支架生产厂家甚多，支架的形式也多种多样，这里以一种支架形式做简要的介绍，支架结构示意图见图3、图4。
圖4电池板正面示意图
太阳能电池阵列用支架结构设计时的荷载，主要有组件等构件自重和风压荷载、积雪荷载及地震荷载等。在宁夏地区电池板阵列的损坏多数在强风中发生，计算太阳能电池板阵列安装用支架结构时，假设荷载中最大的荷载一般是风压载荷。本文主要取电池板在逆风条件下的荷载计算。
自重荷载：主要包括组件质量、檩条质量、前后立柱质量及其它荷重。
风压荷载：假设从阵列后面吹来的风（逆风）风压荷载，
（3.1）
式中为风力系数。为空气密度；为风速；为迎风面积；为高度补正系数；为用途系数；为环境系数。
荷载组合：（3.2）
Q为总荷载。
3.1檩条强度计算
根据图3、图4的光伏支架的结构形式，支架檩条的受力示意图如下图。
根据图5、图6所示，横向檩条与纵向檩条节点受力存在以下关系：
=， （3.3）
檩条强度为： （3.4）
式中：为檩条的弯矩，为檩条的截面抵抗矩。
3.2立柱的计算
立柱与斜撑主要考虑电池板受顺风时的压弯破坏和逆风时的拉伸破坏。
压弯破坏由欧拉公式求得：（3.5）
式中：为材料的弹性模量，为截面惯性矩，为压杆实际长度，为长度系数。
拉伸强度由下式求得：（3..6）
式中为各杆件的拉伸张力，为各杆件的截面积。
3.3螺栓强度
根据假设的荷载条件，螺栓强度由图5、图6所示的檩条节点的反力确定。
螺栓的拉应力： （3.7）
式中为檩条节点的反力，A为螺栓的截面积。
3.4基础的计算
光伏支架基础采用螺旋钢桩基础。基础受力主要有电池板逆风上扬对基础的上拔力，顺风受压对基础的竖向力以及由此产生的水平力。由上文的假设荷载，主要考虑基础上拔力，因此基础钢桩可按抗拔桩设计。根据建筑桩基技术规范【2】，群桩呈非整体性破坏时，基桩的抗拉拔承载力标准值可按下式计算：
（3.8）
为基桩抗拉拔极限承载力标准值；为桩身周长，对于等直径桩取；为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；为抗拔系数。
基础的抗拉拔力由立柱和斜撑轴力正交分解得到，根据公式3.8，可判定所选基础形式是否满足设计要求，并与现场桩基拉拔实验结果进行对比。
4阵列式光伏支架的其它几点建议：
1）.支架阵列的侧向稳定性：阵列的侧向风载荷对支架阵列产生脉动冲击载荷，与风速、风频等因素有关，会引起系统的振动。在支架的侧面、背面加斜向拉筋，会减小支架阵列振动，增加支架系统的稳定性。
2）.支架阵列防风措施：在光伏支架阵列迎风面（光伏电池板背面）增加一道1.2m左右的防风土墙，将会较大程度的降低光伏支架阵列的风荷载强度。
3）.螺旋钢管桩的防腐要求：螺旋钢管桩基础在应用中不仅需满足抗压、抗拔、抗水平剪切的强度要求外，还需满足土壤腐蚀性对钢管桩的腐蚀性要求，并且需相关的权威检测机构对钢管桩做出防腐蚀评价。
结束语
本文对光伏阵列中电池板的倾角、前后间距、支架及基础的计算方法进行了简单的介绍，并对光伏支架在设计中要注意的事项提出了几点建议。
参考文献
1.杨金焕.固定式光伏方阵最佳倾角的分析［J］． 太阳能学报, 1992, 13( 1): 86～92．
2.建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008.
桂晓刚，男，汉族，1982年生，宁夏贺兰人，现从事变电土建设计工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。