1. 光伏支架结构概述

光伏支架结构作为光伏发电系统的重要组成部分，其设计优化与载荷分析对于确保光伏发电系统的稳定性、安全性及经济性至关重要。光伏支架结构主要包括采光支架单元、角度调节单元和支撑单元。

1.1采光支架单元

采光支架单元是光伏支架结构中最直接暴露于自然环境中的部分，它承载着光伏板并直接影响着光伏板对阳光的采集效率。设计优化采光支架单元，首先要考虑其材料的选择。优质的材料不仅能抵抗风雨侵蚀，还需具备较高的耐腐蚀性，以确保支架在长期户外环境中的稳定性。同时，合理的结构设计能够减少风阻，降低风载对支架的影响，从而提高光伏系统的整体安全性。

在采光支架单元的设计中，还需考虑其与光伏板的连接方式和固定方式。连接方式的稳固性直接影响着光伏板的安全性，而固定方式的灵活性则关系到光伏板的角度调节和维修便利性。因此，设计时应综合考虑这些因素，以确保支架的稳固性和光伏板的高效运行。

1.2角度调节单元

角度调节单元是光伏支架结构中的关键组成部分，它允许光伏板根据太阳的位置变化进行角度调节，从而最大化太阳能的采集效率。设计优化角度调节单元时，需要关注其调节范围和调节精度。调节范围越广，光伏板越能适应不同季节和时段的太阳位置；而调节精度越高，光伏板的角度调节越精确，从而进一步提高太阳能的采集效率。

此外，角度调节单元的稳定性和耐用性也是设计中需要考虑的重要因素。由于角度调节单元经常需要进行角度调节，因此其结构和材料必须能够承受频繁的操作和恶劣的环境条件。设计时应选用高强度、耐磨损的材料，并采用合理的结构设计，以确保角度调节单元的稳定性和耐用性。

1.3支撑单元

支撑单元是光伏支架结构的基础，它承受着整个光伏系统的重量，并将荷载传递到地面。设计优化支撑单元时，需要关注其承载能力和稳定性。支撑单元必须能够承受光伏系统的最大荷载，包括光伏板的重量、风载、雪载等。同时，支撑单元的结构设计应合理，以确保其稳定性，防止因地基沉降、地面变形等因素导致支架倾斜或倒塌。

为了提高支撑单元的承载能力和稳定性，可以采用加固设计、增加支撑点数量等方法。同时，还可以考虑使用高强度材料，如钢材、混凝土等，以进一步提高支撑单元的承载能力和耐久性。

2. 光伏支架结构设计优化

2.1光伏支架结构设计的基本原则

光伏支架结构设计的基本原则主要包括安全性、经济性、可靠性和可维护性。首先，安全性是设计的首要原则，确保支架结构在各种极端天气条件下都能保持稳定，防止光伏板脱落或支架倒塌。其次，经济性要求在设计过程中充分考虑成本因素，选择性价比高的材料和结构形式，以降低总体成本。再次，可靠性是指支架结构能够长期稳定运行，不易出现故障，减少维修和更换的频率。最后，可维护性要求支架结构的设计方便维修和保养，便于检查和更换损坏的部件。

2.2柔性光伏支架设计方案

为更好地探讨光伏支架结构设计优化策略，本文以某县80MWp林光互补光伏发电项目为例。案例项目所采纳的柔性光伏支架，在复杂且陡峭的山地、污水厂等环境中展现出显著优势。鉴于常规支架与可调支架的刚性结构特点，其跨度较小，架设过程中需要较多的基础支撑，导致在复杂地形下施工难度加大，且经济成本相对较高，因此并不适用于此类环境。而柔性光伏支架的引入，有效弥补了传统支架的局限性。其强大的环境适应性，使得在各类复杂地形中均能灵活运用，特别是在地形复杂的河道或深沟区域，通过合理的立柱位置设置，能够跨越障碍，从而高效利用复杂环境下的土地资源。更为重要的是，柔性光伏支架的引入为政府倡导的“渔光互补”和“农光互补”模式提供了实际可行的解决方案，推动了新能源光伏产业与多产业的深度融合，成为现代化建设过程中的一项重要举措。

如图1所示，为该项目光伏支架结构的整体布置图。

图1结构整体布置图

柔性索作为支撑光伏发电板并为其提供必要反力的关键组件，其稳定性与光伏发电板的固定紧密相关。特别地，柔性索与光伏发电系统中其他组件的连接结构，对于整个柔性光伏系统的安全性具有直接且重大的影响。常见的组件连接结构有光伏组件-钢绞线连接结构、钢绞线-支架连接结构以及组件保护结构等，在该项目中，采用光伏组件-钢绞线连接结构。通过四个压块连接固定于两条柔性索上，两条柔性索除光伏板外增设连杆固定柔性索相对位置，防止柔性索因外力作用产生不平衡水平摆动，减少对光伏板水平外力的干扰。图2即为铝合金压块平面布置图。

图2铝合金压块平面布置图

铝合金压块，作为光伏发电板与柔性索的连接核心组件，其生产严格依据光伏发电板组件边框的具体尺寸进行。其主要功能在于，通过特殊的结构设计，有效防止因风吸力作用导致光伏板上浮或回落时可能产生的损伤。为此，该铝合金压块特别采用两道螺栓及绳夹的方式，确保光伏组件与钢绞线之间的稳固连接，并设有防上浮倒钩以增强其稳定性。其详细的连接截面构造如图3所示。

图3光伏组件-钢绞线连接截面示意图

通过这种设计，铝合金压块不仅提供了光伏组件与钢绞线之间的可靠连接，还确保了光伏板在复杂环境下的稳定性。其防上浮倒钩设计能够有效防止光伏板因风吸力而上浮，避免了光伏板与钢绞线之间的松动和损伤。同时，两道螺栓及绳夹的加固方式也大大增强了连接的稳固性，确保了光伏板在风、雨、雪等恶劣天气条件下的稳定运行。

此外，在光伏支架结构设计优化中，还需要考虑其他因素，如支架的耐腐蚀性和耐候性。由于光伏支架长期暴露在户外环境中，容易受到各种气候条件的侵蚀，因此必须选择具有优良耐腐蚀性和耐候性的材料，以确保支架的持久性和稳定性。同时，在支架的设计和制造过程中，还需要考虑其结构的合理性和安全性，以确保支架能够承受各种极端条件下的荷载，保障光伏发电系统的正常运行。

3.光伏支架结构设计中的荷载分析

3.1荷载取值

在光伏支架结构的设计优化过程中，荷载处理是一个至关重要的环节。首先，我们需要对荷载取值进行精确的评估。光伏支架结构所承受的荷载主要包括自重、风载、雪载以及地震荷载等。为了确保支架结构的安全性和稳定性，我们必须对这些荷载进行详细的计算和分析。

光伏发电站设计的标准使用年限为25年，为确保风载荷计算的准确性，我们采用重现期为25年的风压值进行计算。为增强支架结构的稳固性，我们建议参照类似规范指标标准，结合实际情况开展工作。以国际标准《光伏组件安全鉴定》（IEC61730）为例，光伏组件需具备承受瞬时风速42m/s风荷载的能力。相应的光伏支架和光伏组件必须满足严格的安全性要求。

3.2荷载组合

如图4所示，光伏支架结构承受的主要荷载包括风荷载、雪荷载及施工检修荷载。光伏支架结构本身紧贴地面，加之其属于重量较轻的柔性结构，要综合分析相关荷载参数，暂时不考虑地震作用。

图4光伏支架结构承受的主要荷载

3.2.1风荷载

风荷载是光伏支架结构设计中的主要考虑因素之一。在山地、河道等复杂地形中，由于地形和气候的影响，风荷载的大小和方向可能存在较大变化。因此，在设计柔性光伏支架时，必须充分考虑风荷载的作用，并采取相应的措施来降低其对支架结构的影响。

需要对风荷载进行准确的计算。这需要根据当地的气候条件、地形地貌、风速风向等因素，采用合适的风荷载计算方法，如静力风荷载计算方法、动力风荷载计算方法等，对风荷载进行详细的计算和分析。在计算过程中，还需要考虑风荷载的空间分布特性和时间变化特性，以确保计算结果的准确性和可靠性。

3.2.2雪荷载

雪荷载是光伏支架结构在冬季需要重点考虑的荷载之一。雪荷载的大小和分布与降雪量、降雪时间、积雪密度等因素有关。在设计过程中，我们需要根据当地的气象数据和降雪历史，合理预测和评估雪荷载的大小和分布。同时，还需要考虑雪荷载对光伏支架结构产生的压力和弯矩等作用，以确保支架结构在雪荷载作用下的安全性和稳定性。

3.2.3施工检修荷载

施工检修荷载是光伏支架结构在建设和维护过程中需要考虑的荷载之一。在施工阶段，施工人员和设备会在支架结构上产生临时荷载，如人员荷载、工具和设备荷载等。在维护阶段，检修人员需要对光伏支架结构进行检修和维护，也可能产生一定的荷载。在设计过程中，我们需要根据施工检修的实际情况，合理预测和评估施工检修荷载的大小和分布，并采取相应的措施确保支架结构在施工检修过程中的稳定性和安全性。

3.3荷载分析方法

在光伏支架结构设计中，概率极限状态设计方法被广泛应用，以确保结构在各种可能的荷载组合下的安全性和可靠性。该方法基于概率论和数理统计的原理，对结构在极限状态下的性能进行预测和评估。通过收集和分析大量的历史数据和实际工程经验，确定结构在设计基准期内可能遇到的各种荷载和抗力的概率分布，进而计算出结构的可靠度指标，如可靠度系数或失效概率等。

在光伏支架结构设计中，概率极限状态设计方法通常包括以下几个步骤：首先，根据结构的特点和使用要求，确定结构的极限状态方程；其次，根据荷载和抗力的概率分布，计算出结构的可靠度指标；然后，根据设计要求和可靠度指标，确定结构的设计参数和尺寸；最后，对结构进行详细的强度和稳定性验算，以确保结构在各种可能的荷载组合下的安全性和稳定性。

概率极限状态设计方法具有很多优点，如能够充分考虑结构的不确定性和随机性、提高设计的可靠性和经济性、降低结构的失效风险等。然而，该方法也存在一些局限性，如需要收集大量的历史数据和实际工程经验、计算过程相对复杂等。因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的设计方法，并结合实际情况进行适当的调整和优化。

在光伏支架结构设计中，除了概率极限状态设计方法外，还可以采用其他的设计方法，如确定性设计方法、半概率设计方法等。这些方法各有优缺点，需要根据具体情况进行选择和应用。同时，还需要注意在设计过程中综合考虑各种因素，如结构的形式、材料、制造工艺、安装和维护等，以确保光伏支架结构的整体性能和安全性。

结 语：

本文结合工程实例，探讨了光伏支架结构设计优化与载荷分析方法，随着光伏技术的不断发展和应用，光伏支架结构的设计和优化将成为一个重要的研究方向。相关设计人员应不断学习新的设计理念和方法，结合实际情况进行灵活应用，以提高光伏支架结构的性能和安全性，推动光伏支架结构设计向更高效、更可靠的方向发展。

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