宫宇飞 乔学 谷帅 罗晓群

摘要：为研究真实环境下光伏支架的力学性能，以乌海四道泉光伏电站为研究对象，采用足尺加载试验和结构健康监测方法考察固定可调式光伏支架在设计载荷下和正常使用中的受力特性。在光伏支架阵列中选取1个支架单元进行加载试验，考察关键位置的挠度和应变，并与数值模型进行对比;在光伏阵列中选取不同位置的5个支架单元设置结构健康监测系统，实时监测光伏组件的风环境、表面风压和关键构件的应变，并与数值模型进行对比。结果表明：光伏支架结构在设计载荷下和正常使用中的受力性能良好。

关键词：光伏支架;足尺加载试验;健康监测

中图分类号：TM615.2

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）01-0040-06

0 引 言

光伏支架是光伏发电面板的支承结构。国内的光伏支架结构形式主要有5种：固定式、固定可调式、平单轴跟踪式、斜单轴跟踪式和双轴跟踪式。[1]跟踪式光伏支架虽然调整方式灵活，理论发电效率高，但初期投资、维护费用较高，损坏风险大。[2]固定可调式光伏支架结构简单，可以在不同季节调整合适的倾角，发电效率较高，应用广泛。[3-5]

随着新能源光伏发电的发展，光伏支架的经济性越来越得到重视，设计和研究更轻、更经济、结构更合理的光伏支架成为必然趋势。国内在参数优化[6]和稳定设计[7]等诸多方面对光伏支架进行结构设计研究;国外学者也从拓扑、截面、控制算法等[8-9]方面研究光伏支架的优化问题。

光伏支架结构轻盈，风载荷起控制作用，因此有必要研究真实环境下的光伏支架力学性能。在内蒙古乌海市四道泉光伏电站，采用现场足尺加载试验的方式验证固定可调式光伏支架结构在设计载荷下的力学性能，同时结合结构健康监测手段[10]，选取光伏阵列中典型位置布置结构健康监测系统，监测光伏支架阵列的实际力学性能。

1 工程概况

实测场地为乌海四道泉20 MW光伏发电站，场址位于内蒙古自治区乌海市巴音陶亥镇境内。该试验的研究对象为单个光伏支架单元，上覆10块光伏组件，呈2×5排布，支架材料为Q235B结构钢。支架结构主要由2根立柱、2根主梁和4根导轨构成，主梁与立柱之间用连接板相连，光伏组件用压块和螺栓固定在导轨上。施加在光伏组件表面的载荷传力路径为光伏组件→导轨→主梁→立柱。光伏支架结构和尺寸见图1，构件尺寸见表1。

支架单元上的电池板尺寸为5 040 mm×3 300 mm，倾角为20°或55°。加载试验在20°倾角下进行，考察结构在设计载荷下的力学性能;健康监测在55°倾角下进行，监测光伏支架所处风环境、表面风压和关键构件应变等内容。

2 加载方法和装置

2.1 加载方法

在光伏支架现场加载试验中，载荷包括恒载荷、风载荷和雪载荷，采用沙袋堆载的方式模拟。风载荷垂直于板面，设置加载架吊挂沙袋以消除平行于板面方向的分量。加载架形式和实际加载情况分别见图2和3。

2.2 载荷设计

2.2.1 恒载荷

在试验支架上安装光伏组件。

2.2.2 雪载荷

根据现行国家标准《光伏发电站设计规范》（GB 50797—2012），雪载荷取当地25 a重现期的基本雪压。[11]在试验地区重现期25 a的情况下，基本雪压为0.17 kN/m2，倾角20°时雪载荷分布因数为1[12]。

2.2.3 风载荷

在试验地区重现期25 a的情况下，基本风压为0.47 kN/m2。[6]板面倾角为20°时，下半段风载荷体型因数为1.35，上半段风载荷体型因数为0.55，风载荷高度因数取1.0，风振因数取1.0。

现场试验加载模拟的载荷组合为1.2×恒载荷+1.4×0.6×雪载荷+1.4×风载荷。模拟雪载荷的沙袋质量为238 kg，模拟风载荷的沙袋质量为1 040 kg。

3 测点布置

3.1 试验仪器布置

3.1.1 位移计布置

在主梁和导轨端部对称布置位移计，测量主梁和導轨的挠度，梁上共布置4个位移计。在2根立柱中部布置2个正交的位移计，测量立柱的侧移，立柱共布置4个位移计。位移计布置的位置和对应通道号见图4。

3.1.2 应变片布置

在主梁靠近立柱的上、下表面对称布置应变片，梁上共布置4个应变片。在立柱靠近柱脚的位置对称布置应变片，立柱上共布置4个应变片。应变片布置的位置和对应通道号见图5。

3.2 监测设备布置

光伏阵列中测量支架单元的位置和编号见图6。在阵列的东、南、西、北、中等5个方位各选取1个光伏支架单元（编号依次为23，27，25，26，24）布置监测仪器。为供电方便，5个方位支架单元分别选在11号、9号、4号、15号和13号方阵的配电室附近。在5个支架处都布置风压传感器和应变计，风速、风向仪布置在13号配电室屋顶。

风压传感器布置在光伏板板面的正、反2面。每个支架单元布置4个，正、反各2个，共20个风压测点，安装传感器并采集设备箱照片。各方阵的风压传感器及其安装位置见图7。

应变计安装在光伏支架主梁的上、下表面和立柱的前、后表面，每个支架单元有4个应变计，共有20个应变测点。应变计和风速、风向仪在支架上的安装位置见图8。监测设备及其主要技术参数分别见图9和表2。

4 实测与分析讨论

4.1 试验与数值分析对比

光伏支架结构的数值模型载荷包括2组：一组施加规范规定的设计载荷;另一组施加沙袋堆载，板的下半部分施加载荷852 kg，上半部分施加载荷426 kg。2组载荷的位移和弯矩分别见图10和11，数值模拟与试验数值的对比分别见表3和4。数值模拟和试验值的误差均在10%以内。

4.2 监测与数值模拟的分析对比

监测时间为2017年11月21日至2018年1月15日。监测期间站场的风速和风向变化见图12：风速最小值为0.19 m/s，最大值为9.62 m/s;风向数据正北方向为0°，数值顺时针增加，监测时间内风向变化范围为59.65°～292.51°。四道泉光伏电站所在的地区50 a重现期基本风压为550 Pa，对应的风速为29.70 m/s，监测时间内的最大风速仅为设计风速的1/3。

监测期间5个光伏支架单元的风压变化见图13，最大风压变化范围约为-181～190 Pa。该地区50 a重现期的基本风压为550 Pa。监测时间内光伏组件表面的最大风压小于设计风压。

将应变计监测数据转换为应力，监测期间应力变化范围为-23.8～21.1 MPa，结构在安全许可范围内，满足结构安全要求。

建立55°倾角的光伏支架模型。在监测期间，光伏支架结构承受的载荷主要是恒载荷和风载荷。计算模型上施加的风压取监测时间内的最大风压189 Pa，风载荷体型因数取1.30。

取仅含有恒载荷和风载荷的组合：1.2×恒载荷+1.4×风压载荷;1.2×恒载荷+1.4×风吸载荷。

倾角55°光伏支架的计算模型及载荷组合1和组合2的弯矩见图14。主梁的最大弯矩出现在载荷组合1中，最大应力比为0.146，相应的应力值为34.3 MPa;立柱的最大弯矩出现在载荷组合2中，最大应力比为0.256，相应的应力值为60.6 MPa。当监测期间风压变化幅度为±189 Pa时，梁应力变化范围在±34.3 MPa以内，立柱应力变化范围在±60.6 MPa以内。

监测期间风压变化范围为-181～190 Pa，梁应力变化范围为-23.8～21.1 MPa，在±34.3 MPa以内，与数值模拟的推断相符。

5 结 论

针对光伏支架结构的受力特点和实际性能，设计现场足尺加载试验和结构健康监测。将试验和监测结果与数值模拟结果进行对比验证，得到如下结论：

（1）结构设计模型在测点处的位移和应变与现场加载的实测值相比，误差均在10%以内，说明支架结构的受力特性与结构设计数值模型相符，采用此数值模型设计的光伏支架结构安全可靠。

（2）现场加载试验实测值、沙袋堆载数值模型和设计模型在测点处的位移和应变误差均在10%以内，说明试验堆载方式可等效模拟加载方式，光伏支架结构和试验方法与数值模型的受力特性一致。

（3）监测期间的风速较小，结构所处的风环境是安全的;监测期间风向变化较大，使各风压监测点和应力监测点的数值出现正、负值变化;监测期间光伏组件表面风压值远小于设计风压，结构在安全范围内。

（4）根据监测和数值模拟的对比分析，监测期间光伏支架构件应力的变化范围与数值模拟相符，且结构各点实测应力远小于设计限度，满足结构安全要求。

参考文献：

[1] 王晔. 光伏支架的设计选型及经济性分析[J]. 建筑技术开发， 2016， 43（5）：31. DOI：10.3969/j.issn.1001-523X.2016.05.019.

[2] 陈源. 光伏支架结构优化设计研究[J]. 电气应用， 2013， 32（17）：76-80.

[3] 章荣国. 固定可调式光伏支架应用研究[J]. 太阳能， 2015（10）：28-31. DOI：10.3969/j.issn.1003-0417.2015.10.009.

[4] 黄天云， 白盛强. 倾角可调光伏支架结构的研究[J]. 太阳能， 2013（15）：34-36. DOI：10.3969/j.issn.1003-0417.2013.15.012.

[5] 徐东， 张洪信， 高雷， 等. 青岛市太阳能光伏电站及其支架设计[J]. 青岛大学学报（工程技术版）， 2016， 31（2）：59-64. DOI：10.13306/j.1006-9798.2016.02.011.

[6] 王芝云， 杨林青， 吴二军. 光伏支架受力性能影响参数有限元分析[J]. 低温建筑技术， 2015， 37（12）：77-80. DOI：10.13905/j.cnki.dwjz.2015.12.028.

[7] 郭小农， 王昆， 赵宪忠， 等. 光伏支架柱平面内有侧移失稳计算长度系数研究[J]. 力学季刊， 2015， 36（3）：502-508. DOI：10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.017.

[8] BADONI M， SINGH A， SINGH V P， et al. Grid interfaced solar photovoltaic system using ZA-LMS based control algorithm[J]. Electric Power Systems Research， 2018， 160（7）：261-272. DOI：10.1016/j.epsr.2018.03.001.

[9] MCKINSTRAY R， LIM J B P， TANYIMBOH T T， et al. Comparison of optimal designs of steel portal frames including topological asymmetry considering rolled， fabricated and tapered sections[J]. Engineering Structures， 2016， 111：505-524. DOI：10.1016/j.engstruct.2015.12.028.

[10] 張慧斌， 罗晓群， 张其林. 基于监测的空间网格结构应力应变分析[J]. 计算机辅助工程， 2018， 27（2）：66-71. DOI：10.13340/j.cae.2018.02.013.

[11] 光伏发电站设计规范：GB 50797—2012[S].

[12] 建筑结构载荷规范：GB 50009—2012[S].

（编辑 武晓英）