太阳能光伏支架选择攻略：成本、耐候性与可靠性的全方位考量

光伏支架全面汇总

概述

据德国统计，在一个大型太阳能发电站项目中，建设成本约占光伏项目总投资的21%，而太阳能光伏支架的投资仅占总成本的3%左右。因此，相对于太阳能发电站的高额投资，支架成本的波动并不是一个敏感因素。选择高端支架，成本仅增加不到1%。但如果选择的支架不合适，后续的维护成本就会大大增加，总体来说并不划算。

任何类型的太阳能光伏组件部件最重要的特性之一就是耐候性。要保证结构在25年内必须坚固可靠，能够承受环境侵蚀、风、雪荷载等外界作用。安全可靠的安装、以最小的安装成本实现最大的使用效果、几乎免维护、可靠的修复、可回收性都是选择解决方案时要考虑的重要因素。目前，一些支架公司已应用高耐磨材料抵抗风、雪荷载等腐蚀作用，综合利用铝合金阳极氧化、超厚热镀锌、不锈钢、抗紫外线老化等技术工艺，保证太阳能支架和太阳能跟踪的使用寿命。

1、光伏支架常见形式

光伏支架的分类有很多种，按连接方式有焊接式、组装式；按安装结构有固定式、追阳式；按安装位置有地面式、屋顶式等。不管哪种类型的光伏系统，支架结构一般都差不多，都包括连接件、立柱、龙骨、横梁、辅助件等部分。

1.1固定光伏支架

固定光伏支架，顾名思义，是指安装后方位、角度不变的支架系统。固定安装方式是将太阳能光伏组件直接朝向低纬度方向（与地面成一定角度）放置，串联、并联组成太阳能光伏阵列，达到太阳能光伏发电的目的。固定方式有多种，如地面固定方式，包括桩基法（直接预埋法）、混凝土块配重法、预埋法、锚固法等。屋顶固定方式根据屋顶材料不同，有不同的解决方案。

图1 地面支架固定方法

太阳能电池阵的支架通常采用从钢筋混凝土基础伸出的热镀锌钢材或不锈钢锚栓进行固定。当房屋屋顶采用混凝土基础时，房屋的防水层会部分揭开，混凝土表面会剥落。太阳能电池阵混凝土基础的钢筋与天井钢筋焊接在一起。当钢筋无法焊接时，为了利用混凝土的粘结力和自重抵抗风压，混凝土基础的表面会做成凹凸不平，以增加粘结力。之后再用防水填料进行二次防水。

如果以上方法无法实施，可以在防水层上铺设硅胶等较贵的耐候缓冲材料，在上面安装重型热镀锌钢架，再将阵列支架固定在钢架上，钢架用塑料螺栓与房屋四周的突出檐墙连接，目的是防止风压使阵列和钢架发生移动，起到辅助加固作用。

1.1.1屋顶光伏系统支架

屋顶光伏支架安装的环境有坡屋顶、平屋顶，安装必须符合屋顶环境，不能破坏固有结构和自防水系统。屋顶材料有琉璃瓦、彩钢瓦、沥青瓦、混凝土面等，不同的屋顶材料采用不同的支架方案。

屋顶根据倾斜角度分为斜面与平面两种，因此屋顶光伏系统的倾斜角度也有多种选择。对于斜屋顶，通常采用平铺的方式，以符合屋顶的坡度，也可以与屋顶呈一定角度铺设，但这种方式相对复杂，案例较少。对于平屋顶，则有平铺和倾斜一定角度两种选择。

不同的屋顶材料会有不同的支撑系统。

1）琉璃瓦屋面支撑

如图1所示，琉璃瓦是采用碱土、紫砂等软硬性原料经挤压、塑压、烧成后制成的建筑材料，材质性脆，承重能力差。支架安装时，一般采用专门设计的主支撑构件，将其固定在琉璃瓦下部屋面上，支撑支架主梁、横梁。连接板等支撑构件通常如图2所示设计有多个开孔，可以灵活有效地调整支架的位置。用铝合金压块压紧构件与横梁。

图2 琉璃瓦屋面，主要支撑构件机拼固定块

2）彩钢瓦屋面支撑

彩钢板是将薄钢板经冷压或冷轧而成的钢材，钢板采用有机涂层钢板（或彩色钢板）、镀锌钢板、防腐钢板（内含石棉沥青层）或其他薄钢板。

波形钢板具有单位面积重量轻、强度高、抗震性好、施工快捷、外形美观等优点，是良好的建筑材料和构件，主要用于围护结构和楼板，也可用于其他结构。

屋面彩钢瓦一般分为：直立锁边式、咬口式（转角式）、卡扣式（暗扣式）、固定连接式（明钉式）。

直立缝型咬合型（角型）

卡口（暗扣）式 紧固件连接（明钉）式

在彩钢瓦屋顶安装光伏系统时，必须充分考虑彩钢瓦的形状及其承重能力来确定支架固定方式。彩钢瓦屋顶的支架固定方式主要由彩钢瓦的形状决定，如图4：地面支架固定方式

图4 彩钢瓦屋面支架固定方法

3）混凝土顶板支护

混凝土屋面光伏支架一般采用定角固定，也可平铺固定。该类屋面固定方式主要采用混凝土基础加标准化固定连接件固定，分为现浇式和预制式。

混凝土屋面现浇矩形基础适用于屋面荷载较小、风荷载较大的地区和屋面；如下图所示：1、采用化学锚栓将矩形基础与屋面连接；2、在矩形基础上安装标准化的固定连接件；3、组装支架及部件。

图5 混凝土屋面现浇矩形基础

混凝土屋面设置预制矩形基础，适用于屋面荷载较小、风荷载较小的地区和屋面；在矩形基础上预制标准化的固定连接件。

图6 混凝土屋面预制矩形基础

1.1.2地面光伏系统

地面光伏系统是指安装在室外空旷区域的光伏系统，常见的大型地面光伏系统的支架固定方式随地质、环境、气候等因素而不同，一般采用混凝土条（块）基础（特殊地基情况需咨询专业土力学设计师），也可采用桩基础、地锚（如图1所示）等方式。

图7 螺旋桩基础

图1所示的四种不同基础形式可根据实际情况选择。其中，混凝土块配重及预埋件法常用于屋顶太阳能建设或改造，可有效避免破坏屋顶防水层等结构；地锚法及直埋法常用于太阳能发电站建设，稳定性高，可靠性强。

根据施工经验，地锚法地基最牢固，安全性最高，但地锚与光伏支架的连接需要特殊定制，成本很高。相比之下，直埋法施工简单，只需要用钻孔机到现场钻孔并浇注混凝土，然后在混凝土凝固前将槽钢直接插入孔内即可。但与地锚法相比，直埋法对现场土体的自持力要求更高，需要进行前期地质勘察和试验。当然，如果地质条件非常有保证，可以省去前期地质勘察。

太阳能光伏支架主次梁的布置主要取决于电池板的安放方式，一般情况下在电气条件的前提下，直埋方式明显优于锚固方式。

1.2跟踪光伏支架

当太阳光线垂直于电池板时，接收到的太阳能最大，发电量最高。但是地球在不停的公转和自转，所以太阳光线的角度也是不停变化的。对于固定支架，由于电池板是固定的，所以无法保证太阳光线尽量垂直于电池板，无法充分利用太阳能。

因此，跟踪系统就是要尽可能的瞄准太阳，让单位面积的太阳能电池板接收到的太阳光线更多，从而增加发电量。目前，跟踪系统包括单循环跟踪系统和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倾斜单轴跟踪系统。

1.2.1 水平单轴跟踪

如图8所示，水平单轴跟踪适用于低纬度地区，通常通过跟踪太阳高度角来增加太阳光线照射在电池板上的垂直分量，从而提高其发电量。水平单轴跟踪系统并不是简单地跟踪太阳高度角，而是采用一套复杂的计算算法，最大限度增加太阳光线照射在电池板上的垂直分量，从而控制其移动角度，从而最大限度提高光伏发电量的增幅。水平单轴跟踪一般可以比固定支架增幅20%~30%之间。

图8 水平单轴跟踪示意图

1.2.2 斜单轴跟踪

倾斜单轴适用于纬度30度以上地区，通过转轴倾斜角度来补偿纬度角度，然后在转轴方向上跟踪太阳高度角，从而达到更好的光伏发电量增幅，一般比固定支架可增加发电量25%~35%。

1.2.3 双轴跟踪

双轴跟踪有两个转轴同时运动，可以保证太阳能电池板始终垂直于阳光，因此双轴跟踪可以提高太阳能发电效率35%-45%。

2. 荷载计算

在地面或房屋屋顶，或住宅平屋顶上安装太阳能电池阵列时，首先要打好坚实的基础，然后设计支架。大部分支架（支撑）都是钢结构。

支架是安装从底部到顶部高度小于4m的太阳能电池阵列时使用的支架，以允许应力设计作为结构设计依据，设计荷载以等效静荷载为准。到目前为止，太阳能电池阵列的支架还没有设计标准。如果作为电气设备考虑，则按照输电支架的设计标准执行。如果作为建筑物考虑，则按照建筑法、建筑荷载等执行。但这些标准在设计对象和设计方法的考虑上存在一些差异，不适合作为太阳能电池阵列的设计标准。

2.1 假设负荷

设计太阳能电池阵列支撑结构时假设的载荷有永久固定载荷和风压载荷、雪载荷、地震载荷等自然外力。此外，还有因温度变化而产生的“温度载荷”，但在焊接结构长部件以外的支撑中，与其他载荷相比非常小，可以忽略不计。

① 固定载荷（G）。构件质量（MG）与支座质量（KG）之和。

②风压荷载（W）。作用于构件的风压（MW）与作用于支座的风压（KW）之和（矢量和）。

③ 雪荷载（S）。垂直于构件表面的雪荷载。

④地震荷载（K）。作用于支架上的水平地震力（在钢结构支架中，地震荷载一般小于风压荷载）

荷载条件及荷载组合如表1所示。对于雪域荷载组合，雪荷载设定为正常时的70%，暴风雨和地震期间的荷载设定为35%。

表1 载荷条件及组合

负载条件

将军广场

雪域

长的

通常

格氏

短期

当积雪

格

格

暴风雨期间

绿 ＋ 白

绿 ＋ 0.35 红 ＋ 蓝

地震期间

格

绿 ＋ 0.35 红 ＋ 蓝

2.2 风压荷载

在设计太阳能电池阵列安装的支撑结构时，所假设的载荷中最大的载荷一般是风压载荷。太阳能电池阵列的风损大多发生在强风期间。这里规定的风压载荷仅适用于旨在防止强风造成损坏的设计。

（1）设计时风压荷载

作用于阵列的风压荷载：W=CW×q×AW

式中，W为风压荷载（N）；CW为风力系数；q为设计风速压（N/m2）；AW为受风面积（m2）。

（2）设计时的速度压力

设计时速度压力：q=q0×α×I×J

式中，q为设计速度压力（N/m2）；q0为参考速度压力（N/m2）；α为高度补偿系数；

I为使用因素；J为环境因素。

设计风速压力q一般应按下列标准计算：离地面16m以下及16m以上处风速压力公式应按下列标准计算：离地面16m以下处：60；离地面16m以上处：1204。其中，h为离地面高度。当安装在离地面31m以上时，风力系数规定为1.5以上。

①参考风压q0。设参考高度为10m，按下式计算：q0=0.5ρ×V02式中，q0为参考风压（N/m2）；ρ为空气密度风速（N·s2/m4）；V0为设计参考（m/s）。夏季和冬季空气密度不同，从安全角度考虑，取较大的冬季值1.274N·s2/m4。设计参考风速为太阳能电池阵列安装地点距地面10m高度50年内可重现的最大瞬时风速。

②高度修正系数α。速度气压随距地面高度不同而变化，因此需进行高度修正。高度修正系数按下式计算：α= ，式中，α为高度修正系数；h为阵列距地面高度；h0为参考距地面高度，10m；n表示由于高度增加而产生的变化程度，以5为标准。

③应用系数I。这是与太阳能光伏发电系统应用重要性相对应的系数（见表2）。一般太阳能光伏发电系统风速设计重现期设定为50年，相当于使用系数1.0。

表2 使用系数

使用系数

太阳能光伏发电系统的用途

1.15

最重要的太阳能光伏发电系统

1.0

常见的太阳能光伏发电系统

0.85

短期系统，阵列位于地面以上2m以下

④ 环境系数J。这是与太阳能电池阵列安装地点的地形和建筑物条件相对应的系数（参见表3）。阵列安装地点设置为距地面6米或以下。

表3 环境系数

环境因素

施工现场周围的地形和其他情况

1.15

几乎没有障碍物的平坦区域，如海平面

0.90

有树木、低矮建筑等的平坦区域。

0.70

树木茂密、房屋低矮或中层建筑较多的区域

（3）风系数

①构件表面风系数。风系数一般通过风洞试验确定。更专业的内容，请参考相关资料。

②支撑材料风压系数。作用于支撑对象的框架和单体材料上的风压风压系数是通过风洞试验确定的。更专业的内容，请参考相关资料。

2.3 雪荷载

设计时的雪荷载按下式计算：S=CS×P×ZS×AS，式中，S为雪荷载（N）；CS为坡度系数；P为雪的平均单位质量（相当于1厘米雪的质量，N/m2）；ZS为地面最深垂直积雪（cm）；AS为积雪面积（阵面面积）（m2）。

（1）斜率系数SC根据表4确定。

表4 坡度系数

雪面坡度

斜率系数 CS

1.0

30度～40度

0.75

40度～50度

0.5

50度～60度

0.5

>60度

（2）雪的平均单位质量P

雪的平均单位质量是指厚度1厘米、面积1平方米的雪的质量，一般地方为19.6N以上，多雪地区为29.4N以上。

（3）深圳积雪

太阳能电池阵列表面的设计积雪量设定为地面最深垂直积雪量SZ，但如因频繁扫雪造成积雪量减少，则SZ值可酌情减小。

2.4 地震荷载

设计地震荷载的计算可分为一般地区：K=C1×G和多雪地区：K=C1×（G+0.35S）。式中，K为地震荷载（N）；C1为地震层剪力系数；G为固定荷载（N）；S为雪荷载（N）。地震层剪力系数C1的计算公式为：C1=Z×Ri×Ai×C0，其中C1为地震层剪力系数；Z为地震区域系数；Ri为振动特征系数；Ai为地震层剪力分配系数；C0为标准剪力系数。

3.支架材质及选择

太阳能支架材料及安装方式的选择需要经过严格的计算才能确定。另外，耐候性也是选择标准之一，受安装场地的质地、气候、环境等因素影响。例如，如果安装场地较软，可以采用地锚固定。如果历史最大风速或最大雪量在一定范围内，可以适当选择既能满足要求又成本较低的材料。计算项目如上文第2章所述，需要计算风荷载、雪荷载等。此外，还需要考虑维护、材料回收等因素。

目前太阳能支架的材质主要有铝合金（Al6005-T5表面阳极氧化）、不锈钢（304）、镀锌钢（Q235热镀锌）等，其中不锈钢成本最高，耐候性好，回收价值高；

民用建筑屋顶太阳能应用一般采用铝合金支架，铝合金耐腐蚀、轻便、美观耐用，但承载力较低，无法用于大型太阳能电站项目，另外铝合金价格略高于热镀锌钢。

镀锌钢支架性能稳定，制造工艺成熟，承载力高，安装简便，广泛应用于民用及工业太阳能光伏、太阳能发电站。其中型钢全部工厂化生产，规格统一，性能稳定，耐腐蚀性能优良，外形美观。值得一提的是，组合式钢支架体系只需将槽钢利用专门设计的连接件组装起来，即可进行现场安装，施工速度快，无需焊接，保证了防腐层的完整性。该产品的缺点是连接件工艺复杂，种类多，对生产、制造、设计的要求高，因此价格昂贵。镀锌钢的另一个缺点是材料最终的回收价值不如前两者高。

目前最常用的是镀锌钢支架，主要是以钢材为主要材质，所谓钢材，就是具有一定截面形状和尺寸的长条钢材，其主要种类有工字钢、槽钢、角钢、圆钢、方钢、C型钢、H型钢等。

1）角钢可根据不同的结构需要组成各种承重构件，也可作为构件间的连接件。广泛应用于各种建筑结构和工程结构，如梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架、仓库货架等。角钢是建筑用碳素结构钢，是一种简单截面钢材，主要用作金属构件、厂房框架等。在使用中要求具有良好的焊接性、塑性变形性能和一定的机械强度。生产角钢的原料坯料为低碳方坯，成品角钢以热轧、正火或热轧状态交货。

图12 角钢

2）H型钢是一种截面面积分布更加优化、强度重量比更加合理的经济高效型材，因其截面形状与英文字母“H”相同而得名。由于H型钢各部分呈直角排列，具有各方向抗弯能力强、施工简单、节省成本、结构重量轻等优点，得到了广泛的应用。

H型钢分为宽翼缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢（HM）、窄翼缘H型钢（HN）、薄壁H型钢（HT）、H型钢桩（HU）等。

图13 H型钢

3）C型钢采用热轧板冷弯成型，壁薄、自重轻，截面性能优良，强度高，与传统槽钢相比，同等强度可节省材料30%左右。

图14 C型钢

C型钢广泛用于钢结构建筑的檩条、墙梁，也可组合成轻型屋架、托架等建筑构件，此外还可用于机械轻工制造中的柱、梁、臂等。

4）矩形管是一种中空的长条钢材，广泛用于输送流体的管道，如石油、天然气、水、煤气、蒸汽等。另外它在弯曲、扭转强度高的情况下重量轻，所以也广泛用于制造机械零件和工程结构。还常用来生产各种常规武器、枪管、炮弹等。在光伏支架系统中主要用作横梁。

4. 数组布局

在太阳能光伏电站设计中，电池阵列的布置非常重要，阵列间距对电站的输出功率和转换效率影响很大，如果安装不合适，后排的阳光会被前排的遮挡。太阳高度角与阵列间距息息相关，因此本文提出了两种计算太阳高度角的方法，并对结果进行了比较。

4.1 太阳高度角

太阳能电池阵列安装如图15所示，下面对图中的物理量进行说明。

图15 电池阵列安装示意图

太阳高度角是指太阳光的入射方向与地球上某一位置的地平​​线之间的夹角。太阳高度角是决定地球表面接收多少太阳热能最重要的因素。

4.1.1 利用阴影放大法计算太阳高度角

通常，对于一根高度为L的木杆，垂直竖立在水平面上，其南北方向的影子长度为Ls，太阳高度角为h，方位角为α，则阴影比R可用下式表示：

R = LS/L = ctgh·cosα ( 1)

式中：R为阴影放大倍数；L为阵列高度；Ls为阴影长度；h为太阳高度角；α为太阳方位角。

阵列阴影长度随安装地点的纬度、季节、时间而变化。如果冬至日上午9点至下午3点阴影最长的时段，阴影对阵列没有影响，则表示太阳能电池输出功率不受影响。可通过“冬至日太阳位置图”了解此时段的太阳高度角h和方位角α。

4.1.2 根据函数计算太阳高度角

根据球面三角函数的分析，认为太阳高度角与观测者的地理纬度、太阳赤纬、方位角都有一定的关系，它们之间的关系为：

sinh = sinφ·sinδ + cosφ·cosδ·cosα ( 2)

式中：φ——当地纬度角；

δ——当地偏角。

一年中第 n 天的偏角δ计算如下：

δ = 23.45·sin[360·(284 + n)/365] ( 3)

在公式（2）和（3）中，如果知道某点的地理位置、日期和时间，就可以计算出当时的太阳高度角。中午时分，太阳方位角为零，则cosα=1，公式（2）变为

sinh = sinφ·sinδ + cosδ·cosδ =cos(φ－δ) = sin［90°－(φ－δ)］( 4)

得到计算太阳高度角的基本公式：

h=90°－（φ－δ） （5）

4.2 阵列间距计算

4.2.1 按4.1.1方法计算间距

由公式（1）可得：

LS = L·ctgh·cosα （6）

根据当地纬度可找到h和α，并计算出Ls。

4.2.2 按4.1.1方法计算间距

从图15可以知道太阳高度角与电池阵列的关系，由几何分析可得：

(L－e)/Ls= tgh = tg［90°－ (φ－δ) ］ (7)

Ls = (Le)·ctgh = (Le)·ctg［90°-(φ-δ)］ (8)

从式(8)可知，太阳高度角h越小，投射距离L越大，因此设计时采用最小入射角即冬至日的太阳高度角来计算阵列间距即可满足要求。

五、结论

太阳能支架是光伏电站非常重要的一个组成部分，它承载着光伏电站的主要发电量，如果设计不合理，在灾害气候下就会发生事故，对电站造成致命的影响。所以在设计过程中，需要综合考虑各方面因素，最终确定支架的选型和方阵的布置方式。本次总结不包括设计支架基础的计算问题，后续会补充这部分内容。