摘 要：通过对某型光伏支架进行整体稳定性分析、结构强度校核和有限元分 析，为提高光伏支架抗风载能力和优化结构方案提供了理论依据。 关键词：光伏支架；风载荷；计算

　　光伏电站大多设置在地广人稀的偏远地区或房屋顶等空旷地带， 为提高发电量， 太阳 能电池板大多倾斜放置，倾斜角一般和安装场所的纬度一致，因此光伏支架阵列在多风地区 极易兜风，光伏支架的设计强度和稳定性若不能满足当地抗风要求，极易损坏昂贵的太阳能 电池板，带来光伏电站后期养护成本的增加。 本文以某型光伏支架为列， 研究光伏支架的风载荷计算方法， 为提高光伏支架抗风载能 力和优化结构方案提供理论依据。

　　1.1 计算模型简介 某型光伏支架为整体阵列式结构，光伏支架的安装基础为水泥支墩，由前支撑梁、后支 撑梁、斜梁、横梁、斜拉钢筋等快速组装而成。取一个阵列的光伏支架进行计算，共安装 42 块太阳能电池板，光伏支架计算模型如图 1 所示，光伏支架局部视图如图 2 所示。

　　1.2 计算项目 一般情况下，作用在太阳能电池板上的载荷有太阳能电池板及支架本身的自重、风载荷 和积雪载荷等。与其他载荷相比，积雪载荷可以忽略不计，作用在太阳能电池板上的风载荷 通过电池板连接件传递到光伏支架上，本文主要计算在风载荷和自重载荷的作用下，光伏支 架的整体稳定性、结构强度和刚度特性，并对关键承重件进行强度校核。

　　2.1 抗倾覆稳定性分析 光伏支架主要承受正风、逆风和侧风作用，在逆风作用下，受力情况为恶劣。当风从 太阳能电池板正面吹来（正风）时，合力的作用方向与底部框架的交点在底部框架范围内， 光伏支架不会倾覆。下面分析风从太阳能电池板背面吹来（逆风）时光伏支架的抗倾覆稳定 性。根据《建筑结构荷载规范》 ，光伏支架风载荷 W 计算如下：

　　其中， Cw 为风力系数，与支架倾角相关；  为空气密度，与安装地区海拔高度相关； v 为瞬时风速； S 为太阳能电池板面积；  为高度补正系数，与支架高度有关系； I 为用

　　途系数，通常的太阳能光伏发电系统 I ＝1； J 为环境系数，在没有障碍物的平坦区域 J ＝ 1.15。 根据初始计算条件，计算得风载荷 W=62011Ν，光伏支架及电池板自重 G＝14611Ν，风 载荷产生的力矩 MW＝109388N· m，自重产生的力矩 MG＝15401N· m，水泥支墩产生的力矩 Mg＝110132N· m。则光伏支架的抗倾覆安全系数为（MG＋Mg）/MW＝1.15。 2.2 水平方向稳定性分析 下面分析光伏支架的水平力，逆风时风载荷水平分力为 Wf＝W×sin39°=39025Ν。地面与 水泥支墩的摩擦系数取为 0.35，光伏支架和水泥支墩自重产生水平方向的摩擦力为： Ff＝ 41160Ν。则光伏支架阵列水平面方向的稳定安全系数为 Ff /Wf＝1.2。

　　3.1 弯曲曲度校核 光伏支架的斜梁和横梁为关键结构承重件，主要承受由太阳能电池板传递过来的风载 荷，下面以斜梁为例进行弯曲强度校核。根据风载荷计算结果进行载荷等效转换，斜梁计算 模型如图 3 示，弯矩及剪力图如图 4 所示，弯曲变形挠度及转角计算结果如图 5 所示，弯曲 变形应力计算结果如图 6 所示。 斜梁弯曲挠度为 3.3mm，位于斜梁左端 1.56m 处，弯曲应力为 61MPa，位于斜 梁左端 2.0m 处。根据《钢结构设计规范》A.1.1 第 4 项中规定，支承压型金属板结构允许挠 度为 2024/200=10.1mm，弯曲变形挠度 3.3mm 小于结构允许挠度 10.1mm，结构是安全的。 斜梁材料为 Q235，材料屈服极限为 235MPa，弯曲强度安全系数为 3.85。

　　3.2 压曲荷重校核 当风从太阳能板正面吹来（正风）时，光伏支架的前后支撑梁承受压缩载荷，弯曲破坏 的几率高于压缩破坏。根据欧拉公式，压曲荷重计算公式为：

　　式中 PK 为压曲荷重， I 为轴向截面二次力矩，n 由两端支撑条件决定的系数， E 为材料 纵向弹性系数， L 为轴长。 因后支撑梁较长，只需校核后支撑梁即可，根据欧拉公式，其允许压曲荷重为 201829N。 在正风作用下，后支撑梁承受的风载荷和支架自重载荷为 3831N，远小于允许压曲荷重，结 构不会因压曲而损坏。

　　4.1 刚强度分析 为了解光伏支架阵列整体刚度情况，建立三维实体模型，应用有限元分析方法对支架整 体进行有限元计算。为简化计算和提高计算速度，减小有限元网格数目，取两个水泥支墩跨 度的支架方阵进行有限元计算，光伏支架底座固定支撑，外载荷为风载荷和支架系统自重。 刚强度仿线 所示。 变形仅约 3.7mm， 斜梁处应力为 52MPa， 前支撑梁处应力为 47MPa，均小于材料的许用应力，满足使用要求。

　　4.2 模态分析 为了解光伏支架的固有振型，对两个跨度的光伏阵列进行模态分析，前二阶振型图如图 9～10 所示。一阶振型为横向振动，固有频率为 18.2Hz，二阶振型为纵向弯曲振动，固有频 率为 20.9Hz。

　　通过对某型光伏支架进行风载荷计算分析，得到如下结论： （1）支架整体稳定性分析、结构强度校核表明，支架抗风载能力满足使用要求。 （2）由模态分析结果可知，支架阵列横向刚度偏低，因此在支架阵列两端增加 2 组对称 斜拉钢筋结构，以增加光伏阵列的整体刚度。 （3）计算分析结果表明，可通过调整水泥支墩布置、型材跨度、型材规格等设计参数， 优化设计方案，提高支架的抗风载能力。 参考文献 ：

　　[1] 刘树民 .太阳能光伏发电系统的设计与施工 [M].北京 :科学出版社 ,2006 [2] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2002
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