光伏发电系统支架设计.docx

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光伏发电系统支架设计

新能源科学与工程学院

光伏系统设计与施工课程设计

学院：

新能源科学与工程学院

专业班级：

11级光伏发电2班

学生姓名：

学号：

1103030239

指导教师：

实施时间：

2013.11.18—2013.11.22

项目课程成绩：

一、课程设计目的：

课程设计是《光伏系统设计与施工》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。

在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。

课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出设计和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。

所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。

通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：

1.查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力；

2.树立既考虑技术上的先进性又考虑经济上的合理性正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；

3.用简洁的文字或清晰的图表来表达自己设计思想的能力；

4.综合运用了以前所学的各门课程的知识（高数、CAD制图、机械制图、计算机等等）使相关学科的知识有机地联系起来；

5.运用太阳能光伏发电系统设计与施工中的知识解决工程中的实际问题。

2、课程设计日程安排：

实施时间

实习内容安排

地点

2013年11月18日

讲解任务、设计原理及要求

主附西多媒体5

2013年11月19日

学生选定实验室电池组件对其长度及质量进行测量，讲解参观学习实验室屋顶及学习地面电站支架，对关键部位的连接进行深入观测。

主A210教室

2013年11月20日

针对新余地区的光伏并网电站，对给定的电池组件进行荷载计算，包括风压荷载计算，下载相关支架图片手绘制图纸

主A210教室

2013年11月21日

出具图纸（用CAD制图），打印报告，请指导教师批阅并给出评语

主A210教室

2013年11月22日

提交设计书、答辩报告书、分组交叉答辩

主A210教室

三|、课程设计任务：

1、光伏发电系统支架设计书

2、光伏发电系统支架设计图纸：

支架整体及侧面的CAD制图

3、课程设计答辩

四、课程设计成绩

本课程设计成绩的评定为百分制，其中支架设计书/满分40、支架CAD制图的设计图纸满分30、课程设计答辩30分。

课程设计的总成绩=光伏发电系统支架设计书+光伏发电系统支架设计图纸：

支架整体及侧面的CAD制图+课程设计答辩成绩。

前言

近两百年来，人类在不断地以爆炸式的增长的方式向地球索取能源，使得化石能源行将消耗殆尽并导致环境日益恶化。

为此，世界各国政府，科技界和产业界已经共同认识到，大力开发和利用太阳能石建立起清洁和可持续发展的能源体系的必由之路。

太阳辐射能完全可以转化为人类所需要的能源，并且资源无限，清洁干净。

太阳能光伏发电是开发和利用太阳能的最灵活最方便的方式，近年来得到了飞速的发展。

专家们预言，到21世纪中叶，太阳能光伏发电将发展成为重要的发电方式，在世界可持续发展的能源结构中占有相当的比例。

本次设计的主要是用于安放太阳电池组件的支架结构。

目前我国普遍使用的太阳能光伏系统支架从材质上分，主要有混凝土支架、钢支架和铝合金支架等三种。

混凝土支架主要应用在大兴光伏电站上，因其自重大，只能安放在野外且基础较好的地区，但稳定性高，可以支撑尺寸巨大的电池板。

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。

而钢支架性能稳定，制造工艺成熟，承载力高，安装简便，广泛应用于民用、工业太阳能光伏和太阳能电站中。

目录

第一章新余太阳能资源1

1.1气候条件1

1.2地理位置1

1.3气象资料1

第二章太阳电池方阵支架设计2

2.1支架强度的计算2

2.2设计对象2

2.3荷重计算2

2.4支撑臂支点确定3

2.5光伏阵列钢支架的设计3

2.6钢材的分类3

2.7钢结构的设计3

2.8光伏发电系统组件方阵的倾角3

2.9光伏发电系统组件阵列4

第三章接地防雷5

3.1接地体的埋设5

3.2避雷针的安装5

附图26

附图37

附图48

第一章新余太阳能资源

1.1气候条件

新余市年平均气温15.3℃，历史极端最高气温39.1℃，极端最低气温-17.7℃；年降水量961~1048毫米，日最大降雨量2142毫米；年日照时数1700小时，太阳辐射和日照时数较为匮乏，但可利用。

1.2地理位置

江西新余市位于北纬27°33′~28°05′，东经114°29′~115°24′，属于亚热带湿润性气候，具有四季分明、气候温和、日照充足、雨量充沛、无霜期长、严冬较短的特征。

1.3气象资料

新余基本气象如下表所示：

年平均

水平辐射量

斜面辐射量

气温

最低气温

相对湿度

日照时数

最长连续阴雨天数

13094KJ/㎡

13714KJ/㎡

29.4℃

-5.7℃

74%—84%

1655h

5天

第二章太阳电池方阵支架设计

太阳能电池方阵支架设计的基本思想就是满足组件载重需求，包括风压和雨水环境等因素。

2.1支架强度的计算

在太阳能电池阵列用的支架设计时，为了使其成为能够承受各种荷载的支架,要考虑支架的材料选型,以及数量，再设计确定强度。

本光伏发电系统的支架，采用6块电池排列成三行两列的形式排放。

光伏组件选择240Wp多晶硅光伏组件，组件效率14.12%。

2.2设计对象

本套系统太阳能电池组件采用LDK所生产的电池组件重15.6kg/个，用于左右的4个T形角钢框架（L500×50×50）和7组螺母,螺栓安装。

4个角钢框上面横拉2根框架角钢，2个支撑臂（2000×50×25mm），下端基座上面采用竖向2根钢管（L900×50×25mm），以及螺母螺栓若干固定。

支架相对水平有27.6°角。

根据新余市实际气候条件本套光伏发电系统中强度计算只考虑固定荷重G,暴风雨的风压荷重W和积雪荷重S的短期复合荷重。

新余地区最大风速不超过12级（32.6m/s），本系统设计风速为40m/s，积雪厚度不超过20cm，取积雪深度为20cm。

雨水冲击力1000N。

2.3荷重计算

（1）固定荷重G组件质量Gm=20kg×6=120kg=1182N角钢框自重Gk=4.43kg/m×4.2m×2=37.2kg=364.7N框架自重Gn=1.36kg/m×2.06m×7=19.6kg=192N其他结构材料，螺母，螺栓等G=3kg=29N固定荷重G=1182+364.7+192+29=1768（N）

（2）风压荷重（W）

W=1/2×（Cw×ρ×V02×S）×α×I×J式中Cw为风力系数通过查阅资料可知顺风时Cw=1.06，逆风时Cw=1.43；

Ρ为空气密度=1.274N·s2/m4；V为风速=40m/s；

S面积=1.586×0.808×6=7.7m2；α为高度补正系数=（h/h0）1/5,h为阵列的地面以上高度这里取值为2.5m，h0为基准地面以上高度10m，所以α=（h/h0）1/5=（2.5/10）1/5=0.758；

I为用途系数=本光伏发电系统为通常光伏发电系统所以系数取1，J为环境系数=本光伏发电系统没有障碍物的平坦地，系数取1.15。

当风从阵列前方吹来（顺风）的时候风压负荷W为：

W=1/2×1.06×1.274×402×7.7×0.758×1×1.15+1000=8251N当风从阵列后方吹来（逆风）的时候风压负荷W1为W1=1/2×1.43×1.274×402×7.7×0.758×1×1.15=9780N该风压对太阳能电池方阵作为上吹荷重起作用。

总荷重顺风时候总荷重G+W=1768+8251=10019N逆风时候总荷重G-W1=1768-9780=-8012N。

2.4支撑臂支点确定

角钢框架受到均布荷重的悬空横梁由两根1500×50×50mm角钢支撑，四根500×50×50mm角支撑于地面。

钢通过设计考虑，所使用的角钢材料为SS400时候短期弯曲允许力在其承受范围内。

负荷设计确保安全。

2.5光伏阵列钢支架的设计

设计光伏发电系统的支架，要考虑的是支架的倾角以及其受力情况以及太阳电池的排布，在该系统中，采用6块电池排列成6行。

电池的规格为宽240wp多晶硅太阳电池，长1956mm、宽992mm、厚50mm、重20kg。

2.6钢材的分类

钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。

为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。

钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等，其中，钢材按照型材可以分为普通钢圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、等边和不等边角钢及螺纹钢等。

本套系统主要使用的钢材为角钢，角钢有等边角钢和不等边角钢两种。

等边角钢以“L肢宽×肢厚”表示，不等边角钢以“L长肢宽×短肢宽×肢厚”表示，单位为mm，如L63×5，L100×80×8。

计算公式：

F=d（2b-d）+0.2146（rr-2qq）d为边厚，b为边宽，r为内圆角半径。

2.7钢结构的设计

系统的结构设计为的是可以使系统朝向和最佳倾角不变，并且能够抵御自然界是对其的影响，因此，结构必须牢固。

在各种结构里，三角形结构最为牢固，所以，本系统的结构采用三角形结构太阳能电池板铺设在结构的斜面上，作为一个整体，所采用的钢为槽钢，角钢，扁钢。

在系统的斜面固上固定太阳能电池板的材质则为不锈钢的铝合金。

各种钢筋之间采用焊接或螺丝固定。

通过计算设计选取了SS400材质的角钢，将6块电池组件两串三并地方形式铺在支架上，角度为38°，2根横向支架，四根角钢框架，两根竖直支架，两个支撑臂，底座横向两根角钢支架，竖向两根圆钢连接支架，螺栓螺母若干。

2.8光伏发电系统组件方阵的倾角

在光伏发电系统设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接受的太阳辐射有很大影响，从而影响到光伏发电系统的发电能力。

与光伏组件放置相关的有以下两个角度参量：

太阳电池组件倾角，太阳电池组件方位角。

太阳电池组件倾角是太阳电池组件平面与水平面的夹角。

光伏组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南面的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。

对于倾角的选择，在光伏独立发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，因此应综合考虑光伏方阵面上太阳辐射量的连续性、均匀性、极大性。

由权威科学计算可知，光伏倾角等于24.2°时全年接受到的太阳辐射能量最大。

因此对于新余市LED光伏并网照明系统的最佳倾角应取24.2°。

2.9光伏发电系统组件阵列

此次设计的光伏发电系统组件为18块电池板以三行两列的形式排放，采用的是多晶硅太阳电池。

第三章接地防雷

为防止雷击和系统漏电引发的人身事故和保护财产安全，必须为系统配比防雷系统，一般而言，光伏系统的电气设备和金属支架必须接地，避免产生接触电压。

本系统采用避雷针来防止雷击。

3.1接地体的埋设

在进行配电室基础建设和太阳电池方阵基础建设的同时，在配电机房附近选择一地下无管道、无阴沟、土层较厚、潮湿的开阔地面，一字排列挖直径1m、深2m的坑2～3个（其中的1或2个坑用于埋设电气设备保护等地线的接地体，另一个坑用于单独埋设避雷针地线的接地体），坑与坑的间距应不小于3m。

坑内放入专用接地体，接地体应垂直放置在坑的中央，其上端离地面的最小高度应大于等于o.7m，放置前要先将引下线与接地体可靠连接。

将接地体放入坑中后，在其周围填充接地专用降阻剂，直至基本将接地体掩埋。

填充过程中应同时向坑内注入一定的清水，以使降阻剂充分起效。

最后用原土将坑填满整实。

电器、设备保护等接地线的引下线最好采用截面积35mm²接地专用多股铜芯电缆连接，避雷针的引下线可用直径8mm圆钢连接。

3.2避雷针的安装

安装注意事项如下：

（1）建筑物上的避雷针和建筑物顶部的其他金属物体应连接成一个整体。

（2）不得在避雷针构架上架设低压线路或通讯线路。

（3）避雷带在屋脊或檐口支座、支架上安装使用混凝土支座或支架固定。

现场浇制支座，先将脊瓦敲去一角，使支座与脊瓦内的砂浆连成一体；

支架固定时，需用电钻将脊瓦钻孔，再将支架插入孔内，用水泥砂浆填塞牢固。

支座和支架，水平间距为1-1.5m，转弯处为0.25m-0.5m。

引下线的上端与避雷带（网）的交接处，应弯曲成弧形再与避雷带（网）并齐进行搭接焊接。

附图2

太阳电池组件尺寸示意图（一张A4纸一页页图）

附图3

地面太阳电池组件支架示意图（一张A4纸一页图）

附图4

地面太阳电池组件支架分解示意图（一张A4纸一页图）