创新设计 | 海悟双面光伏组件支架解决方案引领单面发电到双面发电的变革！|广东海悟科技有限公司-海悟官网

创新设计 | 海悟双面光伏组件支架解决方案引领单面发电到双面发电的变革！

随着科技的快速发展和人们环保意识的提高，可再生能源受到了越来越多的关注。其中，光伏发电作为一种清洁可再生能源，正得到广泛的应用。太阳能电池是光伏发电系统的核心部分，目前市面上应用最多的太阳能电池组件为单面组件，即组件仅支持向阳面发电。随着技术的进步，正反两面都能发电的双面电池组件也得到了更多的应用。经测算，双面组件能提高发电量10%~30%。而且，双面组件能够减少光伏系统中的阴影效应，提高系统的可靠性和稳定性。但传统单面组件采用的“檩条+横梁”的支架体系会对双面组件背面造成遮挡，不利于双面组件发电效率的提升。

因此，本文针对双面组件的特点，提出了一种新型的双面组件支架结构形式，该结构采用常见的光伏支架，具有安装简便、成本低的优势，可供分布式光伏发电项目参考使用。

对于单面光伏组件，常用的支架方式如图1所示。

该支架体系由前后两根立柱支撑一根横梁，沿横梁纵向搭设檩条，檩条之上通过压块将组件固定。该体系通过前后立柱的混凝土配重墩固定在屋面或者地面上。结构横向由斜撑形成固定体系，纵向由混凝土基础和檩条形成固定体系。经众多实际项目验证，该结构体系能满足光伏使用的结构安全需要。

单面光伏组件只有一面有PN结，因此只能从一面吸收太阳能。而双面光伏组件正反两面都有PN结，可同时从两面吸收太阳能。因此，双面光伏组件的支架檩条应位于组件边缘，否则支架纵向檩条会对双面组件背面造成遮挡，大幅降低双面组件的发电优势。同时，还应尽可能避免其他电气设备( 如组串式逆变器)等对组件背面造成遮挡。

4.1 风荷载

光伏支架设计时，按25年重现期确定基本风压；地基基础设计时，按50年重现期确定基本风压，并考虑1.6的安全系数。垂直作用于光伏支架结构或光伏组件表面的风荷载标准值，可按下式计算：

w_k=β_zu_su_zw₀

式中：

w_k——风荷载标准值（kn/m2）；

β_z——高度z处的风振系数；

u_s、u_z——风荷载体型系数、风荷载高度系数；

w₀——当地基本风压（kn/m2）。

除横向风荷载外，还应考虑纵向风荷载对支架产生的水平力。计算风压时，需注意风荷载方向性，如图2所示。

4.2 雪荷载

作用于光伏支架水平投影面上的雪荷载，重现期取25年；地基基础设计时，按50年重现期确定雪荷载。安装在建筑物屋顶上的光伏组件，应考虑迎风面、背风面、遮挡物等造成的积雪不均匀分布系数。

4.3 荷载组合

光伏支架结构设计时，应进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态计算。前者主要计算支架构件的强度、稳定性以及连接强度；后者主要计算支架的变形、裂缝等。荷载效应计算分两种工况，分别为抗震验算和非抗震验算。

● 非抗震验算时，荷载效应的基本组合按下式计算：

S_d=γ_GS_GK+γ_WΨ_WS_WK+γ_SΨ_SS_SK

式中：

S_d——荷载组合的效应设计值；

γ_G——永久荷载的分项系数，取1.3；

γ_W、γ_S——风荷载、雪荷载的分项系数，取1.5；

S_GK、S_WK、S_SK——永久荷载标准值效应、风荷载标准值效应、雪荷载标准值效应；

Ψ_W、Ψ_S——风荷载、雪荷载的组合值系数，当风荷载或雪荷载为主导荷载时，组合系数取1.0；

● 抗震验算时，荷载效应的基本组合按下式计算：

S_d=γ_GS_GE+γ_ES_EhK+γ_WΨ_WS_WK

式中：

S_d——地震组合的效应设计值；

γ_G、γ_E、γ_W——重力荷载的分项系数，取1.3；水平地震作用分项系数，取1.3；风荷载作用分项系数，取1.5；

S_GE、S_EhK——重力荷载代表值的效应、水平地震作用标准值的效应；

Ψ_W——风荷载的组合值系数，当风荷载起控制作用时，取0.2，否则取0.0；

5.1 支架横向结构体系

由于双面光伏组件背后不宜有遮挡，因此双面光伏组件不适合采用立柱“横梁+檩条”的结构体系。因此，可将檩条取消，将光伏组件直接连接到两侧的横梁上，如图3所示。

每块光伏组件两侧均设置横梁，组件通过压块和托片固定到横梁上，横梁通过前后立柱固定到基础上。为了保证结构侧向的稳定，前立柱沿纵向设置一根纵向支撑，后立柱沿纵向设置两根纵向支撑，双面光伏组件支架立面如图4所示。该支架结构体系取消纵向檩条，有效的避免了其对组件背面的遮挡。同时立柱设置的纵向支撑，提供了支架纵向的刚度，使支架在纵向形成稳定的支架体系。具体安装效果详见第7节应用案例。

图4所示支架横向结构可根据立柱与基础连接形式的不同，分为两种结构体系，柱底铰接和柱底固结的形式。柱底铰接形式为行架式横向结构体系，柱底固结为排架式横向结构体系。图5所示两种形式均为行架式横向结构体系，该结构体系前后立柱与基础采用铰接的形式，并且采用一根或者两根横向支撑提供侧向刚度，形成稳定的结构不变体系。图6所示三种形式均为排架式横向结构体系，该结构体系前后立柱与基础采用固结的形式，并且采用一根或两根纵向支撑提供侧向刚度，增强结构的抗侧力稳定性。基础设计同传统光伏支架。

5.2 支架纵向结构体系

支架纵向结构体系根据立柱与基础的连接形式不同，同样分为两种结构体系，柱底铰接和柱底固结的形式。柱底铰接形式为行架式纵向结构体系，见图7。柱底固结为排架式纵向结构体系，见图8。

从图7可以看出，行架式纵向结构体系由于柱底铰接，立柱纵向必须设置纵向斜撑以保证支架纵向形成稳定的结构体系。对于排架式纵向结构体系，由于立柱底部固定，纵向支撑根据实际受力情况确定是否设置。不论行架式还是排架式支架体系，纵向横撑均设置在立柱上，距离组件背面有一定的距离，这样能有效地避免杆件对双面光伏组件的遮挡，从而能更好地发挥双面组件的优势，提高发电量。

5.3 支架材料

本创新支架方案的优势就在于能采用常规的光伏支架杆件及材料，具有广泛的适用性。常用杆件如图9所示。

图10为光伏常用压块和垫片，压块与垫片采用螺栓拧紧，中间夹光伏组件实现固定。

6.1 支架整体仿真验证

为验证支架整体的稳定性和承载能力，通过ABAQUS有限元软件对支架进行仿真。根据《建筑结构荷载规范》及《光伏发电站设计规范》，以河南郑州项目为例，该地区25年基本风压为0.38kn/m2，通过本文4.1条调整后风压取值0.72kn/m2。通过面荷载施加给支架体系。图11及图12分别为排架式和行架式支架整体仿真结果，结果显示风压产生的结构横梁最大位移分别约0.19mm、0.49mm，小于横梁计算跨度的1/250，满足《光伏发电站设计规范》（GB50797-2012）。风压产生的柱侧侧移分别为0.1mm、0.36mm，小于柱高的1/60，同样满足规范要求。因此结构整体稳定性符合要求。