隨著西部光伏電站的大規模建設及電站收益的減少，光伏支架成本控制成為光伏電站建設中重點考慮問題。如何實現支架結構在滿足強度、剛度、穩定性的條件下盡可能地節約鋼材，是設計中面臨的關鍵問題。本文將以本公司常用光伏支架為研究對象，結合工程實際，從設計角度出發，使用有限元分析軟件ANSYS及SAP2000，對支架結構的部分零部件進行優化設計研究。

引言

由于西部地區光照資源豐富，以及光伏發電成本太高，中國開始在西部地區進行大型光伏并網電站的建設。西部地區尤其是西北地區的年有效光照小時數是東部地區的兩倍左右，甚至超過2000小時。而西部地區遍布的大片荒漠化土地，對于需占地面積較大的光伏電站和光伏電站運營企業而言，具有較大的市場競爭力與吸引力。

一般在一個大型太陽能發電站項目中，建安成本占光伏項目總投資的21%左右，如果選用的支架不合適，會增加加工成本、安裝成本及后期養護成本。因此，對光伏電站支架結構進行優化研究具有較重要的意義。

1光伏電站支架結構及優化方式

1.1大型光伏電站支架結構

目前西部地面光伏電站的支架普遍采用Q235-B鋼。綜合多種因素考慮，西部地面光伏電站建設一般采用固定式支架。目前普遍采用的固定式支架主要由橫梁、斜梁、前后支腿、斜撐組成，受力性能良好。

1.2 優化方式簡介

光伏支架為超靜定結構，進行優化設計時，采用簡單的手算等靜力分析無法得出準確的計算結果，現在普遍采用電算方式進行結構分析，計算光伏支架的強度、剛度、穩定性時普遍使用的軟件為PKPM和SAP2000。PKPM操作簡單，設計效率較高，但該軟件沒有適用于光伏支架的截面，計算時只能用近似的截面代替，其加載方式也不是很合理，計算結果并不能讓人滿意；SAP2000也有一定的缺點，對支架節點等細部，其無法進行受力分析。ANSYS在結構計算上功能強大，它能夠形象而準確地模擬出支架零部件中實體結構的細部受力特征，進而計算出不同工況下的結構強度。

2支架優化設計

主要對支架的部分構件進行有限元分析和優化。經過用鋼量統計，得出支架橫梁和前后立柱下方的底座用鋼量較大，因此著重對這兩部分進行有限元分析和優化。

2.1 支架橫梁有限元分析

為使力學計算方便，在SAP2000中對支架結構進行整體有限元分析時，常將支架橫梁建模成簡單的C型鋼形式，這樣計算結果就與真實結果有所出入。為準確計算出橫梁在不同工況下的應力，在SAP2000中對整體結構進行計算后，再在ANSYS中對實際的冷彎內卷C型鋼進行有限元分析，通過分析結果，可判定橫梁結構是否安全。

取一根4720mm橫梁進行有限元分析。光伏支架在某地使用時，受到了自重、風荷載、雪荷載、溫度荷載、地震等作用，將這些荷載進行組合，將最不利組合時的荷載換算成面荷載，施加在橫梁上。得出了兩種橫梁在相同外荷載作用下的強度、剛度結果，冷彎內卷C型鋼強度結果。

由計算結果可知，在荷載、約束等外部條件相同的情況下，冷彎內卷C型鋼的承載能力更好。簡化的C型鋼最大應力（強度）為179MPa，最大應變（剛度）為6.83mm；冷彎內卷C型鋼的最大應力（強度）為153Mpa，最大應變（剛度）為6.2mm。強度都小于Q235鋼的許用應力235/1.2=196MPa，剛度也滿足規范要求。

2.2 底座有限元分析

底座是連接光伏支架方形立柱和圓管地樁的零件，目前我方項目普遍采用的底座單個重量大約為2.6Kg。支架結構中，底座是重要的受力部位，且安裝支架時需要大量使用。如何在保證安全可靠的前提下將其重量適當減小，以達到降低成本的目的，值得研究。經初步分析，擬將底座的高度由150mm減小為120mm，厚度由8mm減小為6mm，寬度也適當減小。

現將新設計的底座在ANSYS中進行有限元分析，以確定其結構是否安全。根據地樁拉拔力的經驗值，取20KN作為底座受到的豎直向上的力，并將其換算成面荷載施加在底座的螺栓孔位置。

得出了底座的強度結果。為使計算方便，采用底座的1/2模型進行分析，加載時施加了對稱約束。

由計算結果可知，底座的最大應力（強度）為103MPa，小于Q235鋼的許用應力235/1.2=196MPa，最大變形為0.1mm，符合規范要求，因此，重新設計的底座結構是安全的。

3總結

光伏支架在整個光伏電站的投資建設中占了很大一部分，因此對它進行優設計很有必要的。同時我們也應該看到，目前市場的大電站支架結構較單一，優化空間有限，應在優化設計時切實保證其在25年內能安全使用。在設計時，要充分考慮《光伏發電站設計規范》中列出的各項荷載及對它們進行最不利荷載組合，這樣才能保證結構的安全。