亚坦新能大讲堂第四期：支架系统的结构性分析
作者：陈世文
亚坦新能大讲堂已经办到第四期，收到了广泛的好评。以干货普及为特色，让大家能对于太阳能光伏的知识有进一步的了解。
今天，亚坦新能的光伏技术工程师陈世文将系统地为大家讲解分析支架系统的结构性，从而帮助销售人员在进行屋顶排布时能更加精准的选择支架系统及整体设计。
光伏技术工程师：陈世文
目前担任亚坦新能光伏设计工程师，主要负责支架产品研发，精通光伏支架设计、屋顶排布、对各种屋顶类型都有丰富的设计经验。
一、支架系统的简介
太阳能光伏支架系统，是太阳能光伏发电系统中为了摆放、安装、固定太阳能面板设计的特殊的支架。
支架系统，从材质上分，主要有混凝土支架、钢结构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。
目前分布式光伏主要用于比较多的是钢结构支架和铝合金支架。
钢结构支架性能稳定，制造工艺成熟，承载能力高，安装简便，防腐性能优良，外形美观独特的连接设计，安装方便快速，安装工具简单通用采用结构防腐材料的钢制及不锈钢零部件，使用寿命在20年以上。
铝合金支架一般用在民用建筑屋顶太阳能应用上。铝合金的特点是具有耐腐蚀、质量轻、美观耐用。缺点则是其承载力低，无法应用在太阳能电站项目上。
平屋顶铝合金支架系统，价格更实惠
钢结构支架系统，强度更好，
支架系统的设计要求
1、安全性
结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用和设计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持必须的整体稳定性。
2、适用性
在正常使用时，具有良好的工作性能。例如不产生影响正常使用的过大变形。
3、耐久性
由于组件有20年的质保期限，所以我们支架相对应需要同样质保期限要求。结构在正常维护下，具有足够的耐久性能，如材料风化、老化、腐蚀不超过一定的限度。
二、设计思路与流程
首先，选择支架方案，本文讲师选择以10度自配重支架系统为例进行性能分析。
然后对支架方案进行荷载评估和荷载组合。通过对以下固定荷载、施工荷载、风荷载和雪荷载进行组合和设计，最后得到设计荷载值。
通过将设计荷载值以及模型引入到数值软件中进行模拟和分析，最终给出优化方案和补强方案。
三、设计荷载计算
关于设计荷载计算主要依据《建筑结构荷载规范》
1、荷载形式：永久荷载、活荷载、吊车荷载、永久荷载、活荷载、温度作用、偶然荷载（主要考虑永久荷载、活荷载、永久荷载、活荷载）
2、组合类型：基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合、准永久组合
（主要考虑基本组合和标准组合）
3、荷载等效：等效均布荷载、等效静力荷载
荷载等效主要将实际理论性集中力通过等效方案，使它作为均布作用荷载进行分析，主要采用等效均布荷载、等效静力荷载。
将这些荷载综合考虑，得到危险工况，并将所有危险工况下引入数值软件中进行分析结构性能。
固定荷载（G）组件质量（包括边框）GM+支架自重G2+其他GK2
光伏组件质量GM=18.5kg*9.81=181.5N
支架及其他附件结构皆为不锈钢结构，密度为7850kg/m3
支架重量G2=0.367*9.81=3.6N，G3=0.336*9.81=3.30N
水泥配重压块重量Gc=0.82*0.12*0.12*2500*9.81=257.5N
活荷载（L）取集中力作用的活荷载标准值为200N。
风压荷载（W）
顺风时作用在垂直作用在PV组件上的风荷载标准值为Wk1=345.32N/㎡
逆风时作用在垂直作用在PV组件上的风荷载标准值为Wk=-748.2N/㎡
雪荷载（S）雪荷载标准值为Wk=-200N/㎡
最终得到两组数值，工况1正风组合荷载：F=1321N工况2背风组合荷载：F=-1520N
三、有限元计算
有限元，利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。
结构力学性能分析内容：强度、刚度、稳定性、疲劳分析与模态分析。
疲劳分析针对周期性反复荷载进行分析，对于我们光伏支架来说对于疲劳分析要求不高。所以，我们将注重分析强度、刚度、稳定性。
强度破坏情况
由于刚度不足，产生过大变形
压杆稳定性失效
这三种情况都需要注意和分析。
对于自配重系统而言，首先要对整体稳定性进行分析，自配重系统属于基座—地面非固接系统，其横向与竖向约束依靠地面与水泥压块之间的摩擦力、重力作用，故要对其进行抗滑移稳定性分析与抗倾覆稳定性分析。
通过力学分析最终得到，并不存在滑移和倾覆危险。
其次对整体系统进行受力分析，主要分析其最大应力，最大剪应力以及最大变形量，并与采用型材的相应的许用应力进行对比，最终可以得到整体系统满足强度和刚度要求。
最后对构件进行受力分析，主要分析其最大应力，最大剪应力以及最大变形量。同样可以得出构件满足设计要求。并分析了前支架超过设计限值的情况只有在极端荷载情况下前支架单独受到组件作用才会出现，而这种情况下并不会使结构出现断裂，支架可靠性可以保障。
通过对整体及独立构件分别进行分析可以得到，设计支架满足设计要求，可进行使用。
