隨著科技的快速發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高，可再生能源受到了越來越多的關注。其中，光伏發(fā)電作為一種清潔可再生能源，正得到廣泛的應用。太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，目前市面上應用最多的太陽能電池組件為單面組件，即組件僅支持向陽面發(fā)電。隨著技術的進步，正反兩面都能發(fā)電的雙面電池組件也得到了更多的應用。經測算，雙面組件能提高發(fā)電量10%~30%。而且，雙面組件能夠減少光伏系統(tǒng)中的陰影效應，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。但傳統(tǒng)單面組件采用的“檁條+橫梁”的支架體系會對雙面組件背面造成遮擋，不利于雙面組件發(fā)電效率的提升。

因此，本文針對雙面組件的特點，提出了一種新型的雙面組件支架結構形式，該結構采用常見的光伏支架，具有安裝簡便、成本低的優(yōu)勢，可供分布式光伏發(fā)電項目參考使用。

對于單面光伏組件，常用的支架方式如圖1所示。

該支架體系由前后兩根立柱支撐一根橫梁，沿橫梁縱向搭設檁條，檁條之上通過壓塊將組件固定。該體系通過前后立柱的混凝土配重墩固定在屋面或者地面上。結構橫向由斜撐形成固定體系，縱向由混凝土基礎和檁條形成固定體系。經眾多實際項目驗證，該結構體系能滿足光伏使用的結構安全需要。

單面光伏組件只有一面有PN結，因此只能從一面吸收太陽能。而雙面光伏組件正反兩面都有PN結，可同時從兩面吸收太陽能。因此，雙面光伏組件的支架檁條應位于組件邊緣，否則支架縱向檁條會對雙面組件背面造成遮擋，大幅降低雙面組件的發(fā)電優(yōu)勢。同時，還應盡可能避免其他電氣設備( 如組串式逆變器)等對組件背面造成遮擋。

4.1 風荷載

光伏支架設計時，按25年重現(xiàn)期確定基本風壓；地基基礎設計時，按50年重現(xiàn)期確定基本風壓，并考慮1.6的安全系數。垂直作用于光伏支架結構或光伏組件表面的風荷載標準值，可按下式計算：

w_k=β_zu_su_zw₀

式中：

w_k——風荷載標準值（kn/m2）；

β_z——高度z處的風振系數；

u_s、u_z——風荷載體型系數、風荷載高度系數；

w₀——當地基本風壓（kn/m2）。

除橫向風荷載外，還應考慮縱向風荷載對支架產生的水平力。計算風壓時，需注意風荷載方向性，如圖2所示。

4.2 雪荷載

作用于光伏支架水平投影面上的雪荷載，重現(xiàn)期取25年；地基基礎設計時，按50年重現(xiàn)期確定雪荷載。安裝在建筑物屋頂上的光伏組件，應考慮迎風面、背風面、遮擋物等造成的積雪不均勻分布系數。

4.3 荷載組合

光伏支架結構設計時，應進行承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)計算。前者主要計算支架構件的強度、穩(wěn)定性以及連接強度；后者主要計算支架的變形、裂縫等。荷載效應計算分兩種工況，分別為抗震驗算和非抗震驗算。

●  非抗震驗算時，荷載效應的基本組合按下式計算：

S_d=γ_GS_GK+γ_WΨ_WS_WK+γ_SΨ_SS_SK

式中：

S_d——荷載組合的效應設計值；

γ_G——永久荷載的分項系數，取1.3；

γ_W、γ_S——風荷載、雪荷載的分項系數，取1.5；

S_GK、S_WK、S_SK——永久荷載標準值效應、風荷載標準值效應、雪荷載標準值效應；

Ψ_W、Ψ_S——風荷載、雪荷載的組合值系數，當風荷載或雪荷載為主導荷載時，組合系數取1.0；

●  抗震驗算時，荷載效應的基本組合按下式計算：

S_d=γ_GS_GE+γ_ES_EhK+γ_WΨ_WS_WK

式中：

S_d——地震組合的效應設計值；

γ_G、γ_E、γ_W——重力荷載的分項系數，取1.3；水平地震作用分項系數，取1.3；風荷載作用分項系數，取1.5；

S_GE、S_EhK——重力荷載代表值的效應、水平地震作用標準值的效應；

Ψ_W——風荷載的組合值系數，當風荷載起控制作用時，取0.2，否則取0.0；

5.1 支架橫向結構體系

由于雙面光伏組件背后不宜有遮擋，因此雙面光伏組件不適合采用立柱“橫梁+檁條”的結構體系。因此，可將檁條取消，將光伏組件直接連接到兩側的橫梁上，如圖3所示。

每塊光伏組件兩側均設置橫梁，組件通過壓塊和托片固定到橫梁上，橫梁通過前后立柱固定到基礎上。為了保證結構側向的穩(wěn)定，前立柱沿縱向設置一根縱向支撐，后立柱沿縱向設置兩根縱向支撐，雙面光伏組件支架立面如圖4所示。該支架結構體系取消縱向檁條，有效的避免了其對組件背面的遮擋。同時立柱設置的縱向支撐，提供了支架縱向的剛度，使支架在縱向形成穩(wěn)定的支架體系。具體安裝效果詳見第7節(jié)應用案例。

圖4所示支架橫向結構可根據立柱與基礎連接形式的不同，分為兩種結構體系，柱底鉸接和柱底固結的形式。柱底鉸接形式為行架式橫向結構體系，柱底固結為排架式橫向結構體系。圖5所示兩種形式均為行架式橫向結構體系，該結構體系前后立柱與基礎采用鉸接的形式，并且采用一根或者兩根橫向支撐提供側向剛度，形成穩(wěn)定的結構不變體系。圖6所示三種形式均為排架式橫向結構體系，該結構體系前后立柱與基礎采用固結的形式，并且采用一根或兩根縱向支撐提供側向剛度，增強結構的抗側力穩(wěn)定性?；A設計同傳統(tǒng)光伏支架。

5.2 支架縱向結構體系

支架縱向結構體系根據立柱與基礎的連接形式不同，同樣分為兩種結構體系，柱底鉸接和柱底固結的形式。柱底鉸接形式為行架式縱向結構體系，見圖7。柱底固結為排架式縱向結構體系，見圖8。

從圖7可以看出，行架式縱向結構體系由于柱底鉸接，立柱縱向必須設置縱向斜撐以保證支架縱向形成穩(wěn)定的結構體系。對于排架式縱向結構體系，由于立柱底部固定，縱向支撐根據實際受力情況確定是否設置。不論行架式還是排架式支架體系，縱向橫撐均設置在立柱上，距離組件背面有一定的距離，這樣能有效地避免桿件對雙面光伏組件的遮擋，從而能更好地發(fā)揮雙面組件的優(yōu)勢，提高發(fā)電量。

5.3 支架材料

本創(chuàng)新支架方案的優(yōu)勢就在于能采用常規(guī)的光伏支架桿件及材料，具有廣泛的適用性。常用桿件如圖9所示。

圖10為光伏常用壓塊和墊片，壓塊與墊片采用螺栓擰緊，中間夾光伏組件實現(xiàn)固定。

6.1 支架整體仿真驗證

為驗證支架整體的穩(wěn)定性和承載能力，通過ABAQUS有限元軟件對支架進行仿真。根據《建筑結構荷載規(guī)范》及《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》，以河南鄭州項目為例，該地區(qū)25年基本風壓為0.38kn/m2，通過本文4.1條調整后風壓取值0.72kn/m2。通過面荷載施加給支架體系。圖11及圖12分別為排架式和行架式支架整體仿真結果，結果顯示風壓產生的結構橫梁最大位移分別約0.19mm、0.49mm，小于橫梁計算跨度的1/250，滿足《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》（GB50797-2012）。風壓產生的柱側側移分別為0.1mm、0.36mm，小于柱高的1/60，同樣滿足規(guī)范要求。因此結構整體穩(wěn)定性符合要求。

需要指出，排架式支架比行架式支架結構約束更多，超靜定次數更高，因此結構位移小，穩(wěn)定性好。從結構穩(wěn)定性角度，本文推薦采用排架式支架結構體系。

6.2 壓塊與橫梁節(jié)點仿真驗證

為驗證壓塊與橫梁節(jié)點部位的受力，取一根橫梁采用三維應力單元進行仿真分析。風荷載施加到壓塊上，通過壓塊傳遞給橫梁，三角連接件底部設置固定支座，見圖13，橫梁通過三角支座固定。

設計規(guī)范要求，支架采用的螺栓均固定擰緊。因此，各部分可視為緊密結合，不產生滑移，采用共單元節(jié)點進行仿真分析。通過圖14及圖15可以看出，風壓產生的最大應力在橫梁上，為160.2MPA，小于鋼材強度設計值215MPA。

從圖16可以看出，風壓產生的最大位移為0.95mm（特別指出該位移與圖11、12所示位移不同，是因為荷載施加方式不同，圖11及圖12僅為驗證結構體系整體穩(wěn)定性，因此荷載采取沿橫梁施加線荷載的方式），橫梁截面無翹曲，因此，該創(chuàng)新壓塊節(jié)點滿足強度要求。

圖17及圖18為風吸力作用下，節(jié)點與橫梁的位移和應力圖。最大位移發(fā)生在壓塊上，為0.58mm，最大應力發(fā)生在橫梁上為96MPA，同樣小于鋼材強度設計值215MPA。因此，風吸力作用下，節(jié)點和橫梁同樣滿足強度要求。

本創(chuàng)新解決方案通過取消光伏支架檁條，將雙面組件支架安置在橫梁上，然后在前后立柱設置縱向支撐的方式，采用常見的材料，適用性強，既解決了雙面光伏組件背后遮擋的問題，又提供了足夠的支架支撐。通過實際工程檢驗，取得了良好的效果。案例照片見以下附圖。