光伏支架全方位总结

 综述

      根据德国的统计数据，在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，而太阳能光伏支架的投资仅占总成本的3%左右。因此，相对于太阳能电站高额的投资，支架成本的波动并不是敏感因素，选择高端支架的成本仅提高不足1%，然而如果选用的支架不合适，后期养护成本会大大增加，整体考虑并不合算。

      任何类型的太阳能光伏组件装配部件，最重要的特征之一是耐候性。需保证25年内结构必须牢固可靠，能承受如环境侵蚀，风、雪荷载和其它外部效应。安全可靠的安装，以最小的安装成本达到最大的使用效果、几乎免维护、可靠的维修、可回收，这些都是做选择方案时所需要考虑的重要因素。目前一些支架企业应用了高耐磨材料以抵抗风力雪荷载和其它腐蚀作用，综合利用了铝合金阳极氧化，超厚热镀锌，不锈钢，抗UV老化等技术工艺来保证太阳能支架和太阳能跟踪的使用寿命。

 一、光伏支架常见形式

      光伏支架具有多种分类方式，如按照连接方式分为焊接式和组装式，按照安装结构分为固定式和逐日式，按照安装地点分为地面式和屋面式等。无论哪种光伏系统，其支架构成大体相似，都包括连接件、立柱、龙骨、横梁、辅助件等部分。

 1.1固定式光伏支架

      固定式光伏支架，顾名思义，是指安装之后方位、角度等保持不变的支架系统。固定安装方式直接将太阳能光伏组件朝向低纬度地区放置（与地面成一定的角度），以串并联的方式组成太阳能光伏阵列，从而达到太阳能光伏发电的目的。其固定方式有多种，如地面固定方式就桩基法（直接埋入法）、混凝土块配种法、预埋法、地锚法等，层面固定方式随屋面材料不同而有不同的方案。

      太阳能电池阵列的支架，通常由从钢筋混凝土基础中伸出的钢制热浸镀锌的加工品或者不锈钢制地脚螺栓来固定。在房屋屋顶上采用混凝土基础的场合，将房屋的防水层揭开一部分，剥掉混凝土表面，在天井的钢筋上把阵列用混凝土座的钢筋焊接在一起。不能焊接钢筋时，为了借助混凝土的附着力和自重对抗风压，使混凝土底座表面凹凸不平使附着力加大。之后，用防水填充剂进行二次防水处理。

      如果上述方法也不能实施时，可在防水层上敷设比较贵的硅胶等耐候性缓冲材料，在其上安装热浸镀锌的重量大的钢骨架，然后在钢骨架上固定阵列支架。钢骨架是用塑料螺栓连接在房上周围突出的压檐墙上，目的是风压不致使阵列及钢骨架移动。起辅助强化作用。

 1.1.1屋面光伏系统支架

      屋面光伏支架所安装的环境包括坡屋面、平屋面，安装时需顺应屋面环境，不破坏固有结构及防水系统，屋面材料包括琉璃瓦、彩钢瓦、油毡瓦混凝土面等。针对不同的屋面材料采用不同的支架方案。

     屋面按倾斜角度分为坡面和平面两种，所以屋面光伏系统的倾斜角度有很多种选择，对于坡面通常采用平铺的方式顺应屋顶坡度布置，也可以采用与屋顶成一定倾角的布置方式，但是这种做法相对比较复杂，案例较少；对于平屋面则有平铺和倾斜一定角度两种选择。

     针对不同的屋面材料，会有不同的支架系统。

 1）琉璃瓦屋面支架

     琉璃瓦为碱土、紫砂等软硬质原料经过挤制、塑压后烧制而成的建筑材料，材质脆，承重能力差。在安装支架时一般采用特殊设计的主支撑构件与琉璃瓦下层屋面固定，来支撑支架主梁及横梁，支撑构件如连接板等，通常设计成多开孔样式，灵活有效实现支架位置调整。组件与横梁之间采用铝全金压压接。

 2)彩钢瓦屋面支架

     彩钢板是薄钢板经过冷压或冷轧成型的钢材。钢板采用有机涂层薄钢板（或称彩色钢板）、镀锌薄钢板，防腐薄钢板（含石棉沥青层）或其他薄钢板等。

     压型钢板具有单位重量轻、强度高、抗震性能好、施工快速、外形美观等优点，是良好的建筑材料和构件，主要用于围护结构、楼板，也可用于其他构筑物。

     屋面彩钢瓦一般分为：直立锁边型、咬口型（角驰式）、卡扣型（暗扣式）、固定件连接（明钉式）。

     在彩钢瓦屋面安装光伏系统时，要充分考虑彩钢瓦形制及其承重能力，以确定支架固定方式。彩钢瓦屋面支架固定方式主要根据彩钢瓦形制而定。

 3）混凝土屋面支架

     混凝土屋面光伏支架一般为固定倾角的固定方式，也可以采用平铺方式布置。该型屋面固定方式主要为混凝土基础和标准化固定连接件固定，分为现浇型和预浇型两种方式。

     混凝土屋面上现浇矩型基础，适合屋面承载小、风荷载高的地区和屋面。

     混凝土屋面上放置预浇矩形基础，适合屋面承载小、风荷载小的地区和屋面；矩形基础上预制标准化的固定连接件。

 1.1.2地面光伏系统

     地面光伏系统是指安装地点选择在户外开阔地面的光伏系统，常见大型地面光伏系统的支架固定方式随着地质、环境、气候等因素而不同。一般采用混凝土条形（块状）基础形式（特殊地基情况需要咨询专业土力学设计人员），也可以采用桩基式、地锚式等方式。

     不同基础形式可以根据实际情况选择，其中混凝土块配重和预埋件的方法经常应用于屋顶太阳能建设或改造，这样可以有效避免破坏屋顶防水层等结构；地锚法和直埋式常用于太阳能电站的建设中，具有稳固、可靠性高的特点。

     根据施工经验，地锚法施工基础最为牢固，安全性最高，但是地锚与太阳能光伏支架连接部位需要特别定做，造价很高。相比之下，直埋式施工简便，只需要使用开孔机在现场开孔并灌注混凝土，在混凝土未凝固之前将槽钢直接插入孔中即可，但是与地锚法相比，直埋式基础对现场土壤的自立性要求较高，需要进行前期的地质勘测试验。当然，在地质情况非常有保障的情况下，也可以不做前期的地质看勘探。

     太阳能光伏支架主、次梁的排布方式主要取决于电池板的安放方法。总的来说，由于电况允许的前提下，直埋法显然优于地锚法。

 1.2跟踪式光伏支架

     当太阳光线垂直于电池面板时，太阳能接收到的太阳能最大，发电功率也最高。但是地球时时刻刻都在进行公转和自转，因此太阳光线角度是时刻都在发生变化的。而固定支架，因为电池面板是固定的，因此不能保证尽量让太阳光线垂直电池面板，不能充分利用太阳能。

     因此跟踪系统是尽量去对准太阳，使太阳光线在电池面板单位面积的接收到的太阳光线更多，从而增加发电量。目前面言，跟踪系统包括单周跟踪系统与双轴跟踪系统两大类，单轴跟踪系统又分为水平单轴跟踪系统和斜单轴跟踪系统。

 1.2.1水平单轴跟踪

     水平单轴跟踪适合在低纬度地区，通常跟踪太阳的高度角来提高太阳光线在电池面板的垂直分量来提高其发电量。水平单轴跟踪系统，不是单纯跟踪太阳高度角，而是采取一套复杂的计算算法，使得其太阳光线在电池面板的垂直分量最大化，来控制其运动角度。这样最大化的增大了光伏发电量。水平单轴跟踪系统一般相对于固定支架能增加20%到30%之前。

 1.2.2斜单轴跟踪

     斜单轴适合于纬度高于30度以上，通过转轴的倾斜角补偿纬度角。然后在转轴方向跟踪太阳高度角，从而达到更好的增大光伏发电量。一般相对于固定支架可以增加发电量25%到35%之前。

 1.2.3双轴跟踪

     双轴跟踪，有两个转轴同时运动，这样可以保证太阳电池板始终垂直于太阳光线，因此双轴跟踪提升太阳发电效率最高，可以提高35%到45%。

 

二、支架材料及选型

     太阳能支架材料、安装方式的选择，需要较严格的计算才能确定。另外，受安装地点的质地、气候、环境等因素影响，耐候性也是选择的依据之一。如质地松软的安装地点可以采用地锚的方式固定，若历史最大风速或最大雪量都在一定范围内，则可以适当选择既能满足要求，成本又较低的材料。

     目前，太阳能支架的材料主要有铝合金（Al6005-T5表面阳极氧化）、不锈钢（304）、镀锌钢件（Q235热镀锌）等，其中以下不锈钢材料成本最高，耐候性好，可回收利用价值高；

     铝合金支架一般用在民用建筑屋顶太阳能应用上，铝合金具有耐腐蚀、质量轻、美观耐用的特点，但其承载力低，无法应用在大型太阳能电站项目上。另外铝合金的价格比热镀锌后的钢材稍高。

     镀锌钢支架性能稳定，挂靠工艺成熟，承载力高，安装简便，广泛应用于民用、工业太阳能光伏和太阳有电站中。其中，型钢均为工厂生产，规格统一，性能稳定，防腐性能优良，外形美观。值得一提的是，只需要使用特别设计的连接件将槽钢拼装即可，施工速度快，无需焊接，从而保证了防腐层的完整性。这种产品的缺点是连接件工艺复杂，种类繁多，对生产制造，设计要求高，因此价格不菲。镀锌钢的另一缺点是材料最终回收利用价值不如前两种高。

     目前最普遍应用的为镀锌钢支架，主要采用型钢作为主材，所谓型钢是一种有一定截面形状和尺寸的条型钢材，其主要类型有工字钢、槽钢、角钢、圆钢、方钢、C型钢、H型钢等。

    （1）角钢可按照结构的不同需要组成各种不同的受力构件，也可作构件之间的连接件。广泛地用于各种建筑结构和工程结构，如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架以及仓库货架等。角钢属建造用碳素结构钢，是简单断面的型钢钢材，主要用于金属构件及厂房的框架等。在使用中要求有较好的可焊性、塑性变形性能及一定的机械强度。生产角钢的原料钢坯为低碳方钢坯，成品角钢为热轧成形、正火或热轧状态交货。

    （2）H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，因其断面与英文字母“H"相同而得名。由于H型钢的各个部位均以直角排布，因此H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应用。

    （3）C型钢经热卷板冷变加工而成，壁薄自重轻，截面性能优良，强度高，与传统槽钢相比，同等强度可节约材料30%。C型钢广泛用于钢结构建筑的檩条、墙梁，也可自行组合成轻量型屋架、托架等建筑构件。此外，还可用于机械轻工制造中的柱、梁和臂等。

    （4）矩形管是一种中空的长条钢材，大量用作输送流体的管道，如石油、矩形管天燃气、水、煤气、蒸气等，另外，在高弯、抗扭强度相同时，重量较轻松，所以也广泛用于制造机械零件和工程结构。也常用作生产各种常规武器、枪管、炮弹等。在光伏支架系统中主要作为横梁使用。

三、总结

     太阳能支架是光伏电站非常重要的组成部分，它承载着光伏电站的发电主体，如果设计不合理 ，不灾害气候下发生事故，对于电站的影响是致命的。所以在设计过程中，需要综合教程各方面的因素，最终确定支架的选型及阵列的布置。