南极的资源丰富，对其进行科学考察与研究、环境保护及资源利用等具有重大战略意义。目前，中山站、长城站等南极科考站仍利用柴油发电来解决科考站的供电、供热问题，而这种方式在一定程度上影响了南极的生态环境。

　　比利时、挪威、巴西等国均开展了利用太阳能和风能为科考站提供绿色能源的相关研究，并取得了较好的成效[1]。2011 年以来，中国国内相关单位也开展了应用于南极中山站的风光互补发电技术的研究工作，并进行了初步试验[2]。光伏支架作为光伏组件的支撑装置，是光伏发电系统的重要组成部分。南极地区的自然条件恶劣，常年处于大风、极寒状态，这对应用于此的光伏支架的设计提出了较高要求。本文结合南极中山站15 kW 光伏发电系统的设计工作，研究了低温环境和光伏方阵间距对光伏方阵受风荷载的影响，在此基础上确定了整个光伏发电系统光伏阵列的布局方案；然后在光伏阵列布局设计和风荷载分析结果的基础上，建立了光伏支架的力学分析模型，研究了多种光伏支架钢结构和底座的技术方案，优化了钢结构和底座的关键技术参数。

　　南极的中山站为常年科考站，位于南极东部的普里兹湾拉斯曼丘陵(69°22′24′′S，76°22′40′′E)沿岸，一年四季需要不间断供电、供热。中山站常年处于高寒和大风条件下，风力和环境温度对光伏支架的稳定性具有重大影响，其中，风荷载是光伏支架承受的主要荷载；而低温会对支架金属材料的韧性产生不利影响。

　　1989～2008 年期间，中山站的年均温度为-9.8℃，温度达-40.4 ℃[3]。中山站所在地区每年11月～次年2 月的气温相对较高，平均气温为-1 ℃，日气温可达到9 ℃；从3 月开始气温下降，4～9 月的天气寒冷，平均气温约为-15 ℃。1989～2008 年期间的统计结果表明，中山站的风资源丰富，年均风速达7.1 m/s，历史风速为50.3 m/s[4]。中山站的年均大风日达到159 天，其中冬季风速较大，1 月的平均风速可达8.3 m/s；夏季风速相对较小，6 月的平均风速约为5.3 m/s。

　　中山站15 kW 光伏发电系统主要由光伏组件、控制器、汇流箱、蓄电池等组成。控制器的额定电压为220 V、额定电流为150 A，对光伏组件进行MPPT 控制。光伏组件输出的直流电经过控制器的过充保护，将光伏电力输送到蓄电池里进行储存，以便为科考站提供电力。本光伏发电系统选用的光伏组件由60 片单晶硅太阳电池组成。光伏组件的性能参数如表1所示。

　　本光伏发电系统采用固定式光伏支架，光伏组件的安装倾角应与当地纬度接近，并以太阳辐射量较差的月份为测定时间[5]。综合分析中山站的太阳辐射量逐月分布情况和地理纬度后，光伏组件的安装倾角取64°。

　　每4 块光伏组件固定在1 个光伏支架上，形成1 个光伏方阵；每2 个光伏方阵串联成1 个支路。整个光伏阵列包括12 个光伏方阵，每2 个光伏方阵为1 排，共6 排。

　　光伏阵列面向正北方向布置，布置时应保证南北向相邻2 排光伏方阵之间互不遮挡[6]。南北向相邻2 排光伏方阵的小间距D 的计算式为：

　　式中，L 为光伏方阵倾斜面的长度，考虑到组件离地高度的因素，此处取2.5 m；β 为光伏组件的倾角，此处为64°；αs 为太阳高度角，此处取16.5°。

　　将相关数值代入式(1) 可得，南北向相邻2排光伏方阵的小间距为8.7 m，由于中山站处于高纬度地区，因此将南北向相邻2 排光伏方阵的间距设定为9.0 m。

　　光伏方阵的结构示意图如图1 所示，每个光伏方阵的光伏支架由3 个支撑架、3 个固定底座、2 个横梁组成。其中，支撑架与横梁是光伏支架的主体部分；支撑架的前立柱通过法兰与底座固定在一起；为便于调整，后立柱以铰接的形式与斜梁和底座连接。

　　由于光伏方阵自身的结构较为紧凑，因此其在减小风荷载方面的可优化空间较小；并且南北向相邻2 排光伏方阵的间距已设定为9 m，出于节约土地的考虑，南北向相邻光伏方阵间距的可优化空间也相对较小。因而，适当调整光伏阵列中东西向相邻光伏方阵的间距Ls 可在一定程度上减小风荷载的影响。

　　利用流体动力学(CFD) 方法，分析2 个东西向相邻排列的光伏方阵在正向、反向2 种风向条件下，Ls 分别为0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 和3.00m 时光伏方阵受风荷载的情况。但考虑到结构的对称性，选取结构的一半建立流体动力学分析模型。图2 为2 种风向条件下Ls 为0.75 m 时光伏方阵受风荷载的模型。

　　对不同环境温度和不同Ls 时光伏方阵受风荷载的影响进行研究。低温环境会引起空气密度和空气动力粘度的变化[7]，在-40.4 ℃时，空气密度为1.479 kg/m3，空气的动力粘度为1.522×10-5 kg/(m•s)。利用CFD方法进行计算时，模型的入口风速设定为50.3 m/s，出口设置为压力出口，Ls 的取值分别为0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 和3.00 m。

　　在50.3 m/s 风速下，对环境温度分别为25℃和-40.4℃、不同Ls 时光伏方阵受正向风荷载情况进行分析，具体如图3 所示。图中，Fx为光伏方阵表面所承受风荷载的水平方向的分力；Fy 为光伏方阵表面所承受风荷载的垂直方向的分力；F 为光伏方阵表面所承受风荷载的合力。

　　正向风在水平方向的荷载会对光伏方阵形成较大的倾覆力矩，破坏性较强。由图3 可知，在50.3 m/s 的风速作用下，光伏方阵承受了较大的风荷载，水平方向风荷载可达20435.2 N。当Ls≤1.0 m 时，光伏方阵所承受的正向风荷载均较大；而当Ls1.0 m 时，光伏方阵所承受的正向水平方向风荷载开始减小。与环境温度为25℃时光伏方阵受正向风荷载的情况相比，环境温度为-40.4 ℃时光伏方阵受正向风荷载明显较大，且增大约25%。

　　在50.3 m/s 风速下，不同环境温度、不同Ls时光伏方阵受反向风荷载的情况如图4 所示。

　　相比于正向风荷载，在反向风荷载下，风在水平方向的荷载对光伏方阵形成了更大的倾覆力矩。由图4 可知，在50.3 m/s 风速作用下，光伏方阵承受的水平方向风荷载可达22513 N。与正向风荷载相同，当Ls≤1.0 m 时，光伏方阵承受的风荷载较大；而当Ls1.0 m 时，光伏方阵所承受的风荷载开始减小。与环境温度为25 ℃时光伏方阵受反向风荷载情况相比，环境温度为-40.4℃时光伏方阵所受的反向风荷载明显更大，增大约25%。

　　综上所述可知，Ls 对光伏方阵所承受的风荷载有一定影响，应保证Ls1.0 m，以尽量减小风荷载的影响；但过大的距离会占用较多的土地，因此Ls 取1.5 m 为宜。

　　利用CFD 方法对环境温度为-40.4 ℃、风速为50.3 m / s、D 为9.0 m、Ls 为1.5 m 时光伏阵列受风荷载的情况进行研究。考虑到光伏阵列布局的对称性，取阵列的一半建立计算模型。光伏阵列受正向风荷载的模型如图5 所示。从风入口处开始编号，光伏方阵的编号依次为1#～6#。

　　环境温度为-40.4 ℃、风速为50.3 m/s、D为9.0 m、Ls 为1.5 m 时正向风与反向风作用下，各光伏方阵的受风荷载计算结果如图6 所示。由图6 可知，在风速下，对于正向风和反向风2 种情况，1# 光伏方阵受风荷载，2# 光伏方阵受风荷载小。正向风条件下，2# 光伏方阵的Fx 和Fy 分别为1# 光伏方阵的31.6% 和32.2%；反向风条件下，2# 光伏方阵的Fx 和Fy 仅为1# 光伏方阵的24.5% 和24.2%。

　　当固定式光伏支架的基础形式采用小型的条形混凝土基础形式时，每个光伏方阵的支架需要3 个条形混凝土基础。光伏支架及条形混凝土基础的受力示意图如图7 所示。图中，G0为光伏支架及组件自身的重力；h 为条形混凝土基础的高度；L 为条形混凝土基础的长度；Ly 为风荷载作用力点到条形混凝土基础上表面的距离；Lx0 为G0 到条形混凝土基础前端面的距离；Lx1 为风荷载作用力点到条形混凝土基础前端面的距离；Lx2 为风荷载作用力点到条形混凝土基础后端面的距离。

　　假定条形混凝土基础的前、后边缘到光伏支架前、后立柱地脚螺栓之间的距离相同，根据结构的受力情况，可建立条形混凝土基础质量的计算式为：

　　式中，G 为1 个条形混凝土基础的质量，kg；g 为重力加速度；G0 在此处取2446.6 N在50.3 m/s 风速的作用下，所需条形混凝土基础小质量的计算结果如图8 所示。条形混凝土基础的长度L 对基础的小质量有较大影响。由图8 可知，随着L 的增大，满足光伏方阵不倾覆要求所需的条形混凝土基础的小质量明显减小。

　　设定条形混凝土基础的宽度为 mm，混凝土的密度为2 kg/m3，则在50.3 m/s 风速作用下，条形混凝土基础所需高度h 的计算结果如图9 所示。

　　从图9 可以看出，随着h 的增大，满足光伏方阵不倾覆要求所需条形混凝土基础的小长度在减小。

　　由于南极地区的淡水资源匮乏，施工条件简陋，对于混凝土形式的基础，往往采取在国内预制，然后再运输至科考站进行安装的施工策略。长度相对较小的条形混凝土基础有利于装卸和运输。因此，终选定条形混凝土基础的长度为2 mm，对应的条形混凝土基础的高度为 mm。

　　应用于中山站的光伏支架的主体结构材料需要选用低温钢。Q345E 结构钢具有良好的低温性能[8]，其屈服强度为345 MPa，在-40℃条件下的冲击功AKV 不低于27 J。因此，支架的钢结构选用Q345E 结构钢。利用有限元分析软件，建立了在50.3 m/s 风速作用下光伏支架主体结构的受力分析模型。光伏方阵单位面积所受风荷载P 的计算式为：

　　式中，γ 为风荷载体型系数[9]，取1.4；F 为风在光伏组件表面法线方向的荷载，N；S 为光伏组件的面积，m2。

　　通过式(3) 可计算得到，在正向风荷载下，P 为4313.1 N/m2；在反向风荷载下，P 为4792.2 N/m2。为考察光伏支架在反向风荷载下的应力分布情况，设定光伏支架采用80 mm×40 mm×2.5mm的Q345E 矩形钢管，在风速为50.3 m/s 情况下光伏支架主体结构的组合应力分布情况如图10所示。为反映光伏支架主体结构在50.3 m/s 风速下的真实受力情况，在计算时未考虑风荷载体型系数的影响。由图10 可知，支架中前立柱底部的应力，而其他部分的受力远小于前立柱底部。

　　目前市场上常用的光伏支架立柱的材料为Q235 普通碳素结构钢或铝合金，长、宽尺寸一般为80 mm×40 mm 或60 mm×40 mm。本项目选用规格尺寸与市场产品相近的Q345E 矩形钢管作为前立柱材料，矩形钢管的选规格如表2 所示。

　　在50.3 m/s 风速作用下且风荷载体型系数取1.4 时，不同规格的前立柱受力点的组合应力情况如图11 所示。由于支架中前立柱底部的应力，其规格的选取决定了支架立柱的规格选取。

　　由图11 可知，方案1 的受力点组合应力明显小于其他5 种方案，安全系数( 由Q345E矩形钢管屈服极限值除以受力点组合应力所得) 约为2.9；方案2～方案4 的受力点组合应力非常接近，安全系数约为2.4；方案5 和方案6 的受力点组合应力相对较大，安全系数分别为2.0 和1.7。考虑到瞬时阵风、暴风雪等恶劣因素的影响，光伏支架的安全系数应取较大值，同时在满足强度的要求下应采用重量较轻的材料。综合上述2 点因素，选择方案2 作为光伏支架立柱的规格。

　　本文针对中山站光伏发电系统，研究了应用于环境条件下的光伏支架，并确定了终技术方案。研究结果表明：

　　1) 环境条件下，空气参数的变化对光伏方阵受风荷载的影响较大。因此，在光伏支架结构设计过程中，应充分考虑中山站的环境温度等因素。

　　2) 中山站的光伏方阵南北向相邻2 排光伏方阵的间距达9 m，优化东西向相邻2 个光伏方阵的间距对光伏方阵承受风荷载有一定影响，但东西向相邻2 个光伏方阵的间距不应低于1.0 m，迎风的首排光伏方阵承受的风荷载远大于后面的方阵。

　　3) 增大光伏支架底座条形混凝土基础的长度有利于减轻基础的质量，在中山站地区，对于安装4 块光伏组件的光伏方阵来说，条形混凝土基础的尺寸可取2.4 m×0.4 m×0.4 m。支架前立柱的受力，选用Q345E 材质的规格为80 m×40 mm×2.0 mm 的矩形钢管材料能够满足工程要求。
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