光伏发电站支架连接薄弱节点分析及改进措施
摘要：光伏发电站支架连接薄弱节点分析(Analyse)及改进措施 伴随光伏发电电池组件的应用发展，光伏组件的支架的设计、加工、施工等正在逐步走向正规化、规模化。然而，随着装机容量的不...
光伏发电站支架连接薄弱节点分析(Analyse)及改进措施
伴随光伏发电电池组件的应用发展，光伏组件的支架的设计、加工、施工等正在逐步走向正规化、规模化。然而，随着装机容量的不断增加，各地也不断出现电池组件自燃、脱落等安全事故。
本文着重以常用光伏支架连接薄弱节点为研究（research)对象，自实例工程事故分析出发，从设计角度，结合试验室试验结果，综合分析，并对分析结果提出实用的改进措施（指针对问题的解决办法)，确保光伏支架的结构安全。
主要内容及成果包括：
1、对光伏组件与支架连接的压块进行有限元受力分析及试验室试验分析，根据分析结果，提出新型压块的截面形式（TT形）及承载力设计参考值。
2、对光伏支架U形檩条与U形横梁的连接节点的有限元分析，提出了有效保证节点受力安全的措施。
3、对光伏支架钢管立柱与钢制地锚螺栓顶丝连接节点的试验室抗拔试验，给支架设计提供了可量化的设计参考值，通过控制螺栓的扭矩或穿销钉方法达到安全目的。
第
一、光伏组件与支架连接的压块有限元及试验分析
目前，随着我国可再生能源的利用发展，国内光伏发电站的不断建设，光伏组件的装机容量不断扩大，光伏支架设计任务量也越来越多，国家相关部门已出台相关设计及施工规范，各设计院及支架厂家也在不断的总结与制定标准。
然而，由于光伏发电属新能源（解释:向自然界提供能量转化的物质)领域，技术尚不成熟，光伏支架的主体结构通常由设计院审核把控，而连接压块及其他连接件由支架厂家负责，由于支架厂家技术能力参差不齐，难免会对使用的连接件的安全度重视不足，引发安全事故，甚至会发生电池板被风吹起掉落引起伤人事件。在此，从事故分析出发，对光伏组件与支架连接的压块进行有限元及试验分析，提出可供设计参考的承载力设计值。
1、光伏组件与支架的主要连接形式
目前，国内用于光伏组件与支架的连接方式主要有两种，一是通过(tōng guò)螺栓将光伏组件的边框与支架进行连接固定；二是通过压块将光伏组件压在支架上。
螺栓连接方式…………压块连接方式
2、光伏组件脱落破坏的主要形式
以上两种连接方式安装较方便，但如果使用位置不当，易引起组件脱落破坏，存有安全隐患。
根据组件的连接方式不同，组件掉落破坏(vandalism)的形式也有两种。一是螺栓连接方式下，组件的边框撕裂破坏。二是压块连接方式下，组件整体从压块底部脱出。
电池组件边框安装孔撕裂
电池板在风的作用下脱出压块
目前由于光伏组件的市场(shì chǎng)行情价格越来越低，很多厂家为控制成本不惜将组件的铝合金边框厚度减薄，如果仅采用螺栓连接，很难保证组件安装孔不被撕裂，在此，不建议单独使用螺栓连接方式。经市场调研，目前大多数厂家的组件的安装方式选用压块压紧的连接。
3、压块的主要形式
目前国内较普遍使用的压块形式有两种，一是U形压块，二是π形压块。均以低成本、安装方便得到广泛(extensive)使用。压块选用的材质为铝合金-T5。其外形尺寸见下图所示。
据了解(Find out)，很多厂家对自己使用的压块承载力并不是很清楚，超高位置及海边风力较大的地方与地面风力较小位置混为使用，存在较大的安全隐患，一旦发生其中一块电池组件脱落，又很难阻止其他电池组件连续脱落的发生。太阳能铝边框以氧化成不同的颜色，表面同时也可以做喷涂处理。包装方式：纸箱或托盘包装，也可以根据客户的要求来包装。不同尺寸和规格的产品可以按照客户的图纸或样品来生产。因此，以下将通过对有限元分析(Analyse)及试验室试验结果，对常用压块（U形和π形）提出设计承载力参考值，并提出我们新研发使用的压块（TT形如上图所示）承载力设计值供参考，且能在一定程度上防止电池板连续脱落。
4、U型压块的分析
基本参数：单位mm材质：铝合金6003_T5
组件的安装方式、有限元模拟、试验室拉拔试验及组件堆载试验
（注：U形压块的有限元分析(Analyse)见附件，试验检测结果见《压块检测报告》）
压块有限元分析结果表明，单个压块的设计承载力为0.5KN。
试验室拉拔试验，拉拔至压块脱落，抗拉承载力极限值为5.0KN。
试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为1.0KN。
综合有限元分析及试验室内试验，可取单个U形压块的承载力设计值为50kg，即0.5KN。
5、π型压块的分析(Analyse)
基本参数：单位mm材料品质：铝合金6003_T5
组件的安装方式、有限元模拟
（注：π形压块的有限元分析见附件，试验检测(检查并测试)结果见《压块检测报告》）
压块有限元分析结果表明，单个压块的设计承载力为0.5KN。
试验室拉拔试验，拉拔至压块掉落，抗拉力承载力极限值为6.0KN。
试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为1.0KN。吕氏贵宾会就是铝棒通过热熔、挤压、从而得到不同截面形状的铝材料。铝型材的生产流程主要包括熔铸、挤压和上色三个过程。其中，上色主要包括：氧化、电泳涂装、氟炭喷涂、粉末喷涂、木纹转印等过程。
综合有限元分析及试验室内试验，可取单个U形压块的承载力设计值为50kg，即0.5KN。
6、对改进后的双T(TT)形中压块中压块分析
基本参数(parameter)：单位mm材质：铝合金6003_T5
组件的安装方式、有限元模拟如下图所示
（注：TT形压块的有限元分析见附件，试验检测结果见《压块检测报告》）
压块有限元分析(Analyse)结果表明，单个压块的设计承载力为2.0KN。
试验室拉拔试验，拉拔至4.8级M8螺栓脱丝，抗拉力承载力极限值为8.0KN。
试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为2.0KN。
综合有限元分析及试验室内试验，可取单个TT形压块的承载力设计值为100kg，即1.0KN。
此外,由于此种压块下端距支架结构的距离设置为2mm，一旦一块电池组件脱落，压块的“两条腿”就起到支撑作用，不至于发生连环脱落，能在一定程度上起到防止电池组件连续脱落的作用。
综上所述，可取单个压块的承载力设计值为以下数据：
U形压块：0.5KN。
π形压块：0.5KN。
TT形压块：1.0KN。
第
二、光伏支架U形檩条与U形横梁的连接节点的有限元分析及加强措施（指针对问题的解决办法)
1、存在的问题(Emerson)
光伏支架连接节点的另一个薄弱环节，就在U形檩条与U形横梁的连接节点。目前国内厂家常用的做法是利用螺母板直接将U形檩条与U形横梁相连，对于受力较大的U形斜梁容易引起变形过大，螺母板脱出情况(Condition)。
2、解决措施（指针对问题的解决办法)
经有限元分析，U形斜梁容易产生较大变形。同时，由于U形檩条的下部开孔容易产生应力集中，发生螺栓孔撕裂。
因此，为确保结构安全，对该节点进行了改进处理，采用连接螺栓穿透U形斜梁，并在螺栓与薄壁构件连接位置增设大垫片及U形垫片加强，避免U形斜梁产生如上大变形，同时解决了螺栓孔应力集中被撕裂的问题(Emerson)。太阳能铝边框强度及牢固性强、抗拉力性能强、弹性率、刚性、金属疲劳值高、耐紫外线能力强、稳固性能好、使用年限时间长。
第
三、光伏支架钢管立柱与钢制地锚螺栓顶丝连接节点分析及改进措施
1、存在的问题
光伏支架连接节点的另一个薄弱（解释:单薄而不坚强)环节，就在光伏支架钢管立柱与钢制地锚的螺栓顶丝连接节点。目前国内厂家常用的做法是利用4.8级M16螺栓穿过钢地锚，利用螺杆将插入其中的钢管立柱顶紧连接。
此种连接方式，虽然有支架高度方便调整及安装方便的优点，但存在在风荷载反复作用下钢管立柱从钢地锚中拔出破坏的风险。
2、解决措施
经研究，为防止钢管立柱从钢制地锚中拔出破坏，确保结构安全，可以采用以下两种方法。
一种方法就是在此节点增加穿透销钉，用销钉来抗剪，防拔出。
另一种是控制顶紧螺栓施工扭矩。通过试验室试验，对于φ76*4钢地锚与φ60*3钢管柱连接，当4.8级3M16螺栓扭矩达到70N.M时，钢管柱与钢地锚顶紧连接节点的抗拔承载力极限值为10.0KN，承载力设计值可取5.0KN。
伴随光伏发电电池组件的应用发展，光伏组件的支架的设计、加工、施工等正在逐步走向正规化、规模化。然而，随着装机容量的不断增加，各地也不断出现电池组件自燃、脱落等安全事故。
本文着重以常用光伏支架连接薄弱节点为研究（research)对象，自实例工程事故分析出发，从设计角度，结合试验室试验结果，综合分析，并对分析结果提出实用的改进措施（指针对问题的解决办法)，确保光伏支架的结构安全。
主要内容及成果包括：
1、对光伏组件与支架连接的压块进行有限元受力分析及试验室试验分析，根据分析结果，提出新型压块的截面形式（TT形）及承载力设计参考值。
2、对光伏支架U形檩条与U形横梁的连接节点的有限元分析，提出了有效保证节点受力安全的措施。
3、对光伏支架钢管立柱与钢制地锚螺栓顶丝连接节点的试验室抗拔试验，给支架设计提供了可量化的设计参考值，通过控制螺栓的扭矩或穿销钉方法达到安全目的。
第
一、光伏组件与支架连接的压块有限元及试验分析
目前，随着我国可再生能源的利用发展，国内光伏发电站的不断建设，光伏组件的装机容量不断扩大，光伏支架设计任务量也越来越多，国家相关部门已出台相关设计及施工规范，各设计院及支架厂家也在不断的总结与制定标准。
然而，由于光伏发电属新能源（解释:向自然界提供能量转化的物质)领域，技术尚不成熟，光伏支架的主体结构通常由设计院审核把控，而连接压块及其他连接件由支架厂家负责，由于支架厂家技术能力参差不齐，难免会对使用的连接件的安全度重视不足，引发安全事故，甚至会发生电池板被风吹起掉落引起伤人事件。在此，从事故分析出发，对光伏组件与支架连接的压块进行有限元及试验分析，提出可供设计参考的承载力设计值。
1、光伏组件与支架的主要连接形式
目前，国内用于光伏组件与支架的连接方式主要有两种，一是通过(tōng guò)螺栓将光伏组件的边框与支架进行连接固定；二是通过压块将光伏组件压在支架上。
螺栓连接方式…………压块连接方式
2、光伏组件脱落破坏的主要形式
以上两种连接方式安装较方便，但如果使用位置不当，易引起组件脱落破坏，存有安全隐患。
根据组件的连接方式不同，组件掉落破坏(vandalism)的形式也有两种。一是螺栓连接方式下，组件的边框撕裂破坏。二是压块连接方式下，组件整体从压块底部脱出。
电池组件边框安装孔撕裂
电池板在风的作用下脱出压块
目前由于光伏组件的市场(shì chǎng)行情价格越来越低，很多厂家为控制成本不惜将组件的铝合金边框厚度减薄，如果仅采用螺栓连接，很难保证组件安装孔不被撕裂，在此，不建议单独使用螺栓连接方式。经市场调研，目前大多数厂家的组件的安装方式选用压块压紧的连接。
3、压块的主要形式
目前国内较普遍使用的压块形式有两种，一是U形压块，二是π形压块。均以低成本、安装方便得到广泛(extensive)使用。压块选用的材质为铝合金-T5。其外形尺寸见下图所示。
据了解(Find out)，很多厂家对自己使用的压块承载力并不是很清楚，超高位置及海边风力较大的地方与地面风力较小位置混为使用，存在较大的安全隐患，一旦发生其中一块电池组件脱落，又很难阻止其他电池组件连续脱落的发生。太阳能铝边框以氧化成不同的颜色，表面同时也可以做喷涂处理。包装方式：纸箱或托盘包装，也可以根据客户的要求来包装。不同尺寸和规格的产品可以按照客户的图纸或样品来生产。因此，以下将通过对有限元分析(Analyse)及试验室试验结果，对常用压块（U形和π形）提出设计承载力参考值，并提出我们新研发使用的压块（TT形如上图所示）承载力设计值供参考，且能在一定程度上防止电池板连续脱落。
4、U型压块的分析
基本参数：单位mm材质：铝合金6003_T5
组件的安装方式、有限元模拟、试验室拉拔试验及组件堆载试验
（注：U形压块的有限元分析(Analyse)见附件，试验检测结果见《压块检测报告》）
压块有限元分析结果表明，单个压块的设计承载力为0.5KN。
试验室拉拔试验，拉拔至压块脱落，抗拉承载力极限值为5.0KN。
试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为1.0KN。
综合有限元分析及试验室内试验，可取单个U形压块的承载力设计值为50kg，即0.5KN。
5、π型压块的分析(Analyse)
基本参数：单位mm材料品质：铝合金6003_T5
组件的安装方式、有限元模拟
（注：π形压块的有限元分析见附件，试验检测(检查并测试)结果见《压块检测报告》）
压块有限元分析结果表明，单个压块的设计承载力为0.5KN。
试验室拉拔试验，拉拔至压块掉落，抗拉力承载力极限值为6.0KN。
试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为1.0KN。吕氏贵宾会就是铝棒通过热熔、挤压、从而得到不同截面形状的铝材料。铝型材的生产流程主要包括熔铸、挤压和上色三个过程。其中，上色主要包括：氧化、电泳涂装、氟炭喷涂、粉末喷涂、木纹转印等过程。
综合有限元分析及试验室内试验，可取单个U形压块的承载力设计值为50kg，即0.5KN。
6、对改进后的双T(TT)形中压块中压块分析
基本参数(parameter)：单位mm材质：铝合金6003_T5
组件的安装方式、有限元模拟如下图所示
（注：TT形压块的有限元分析见附件，试验检测结果见《压块检测报告》）
压块有限元分析(Analyse)结果表明，单个压块的设计承载力为2.0KN。
试验室拉拔试验，拉拔至4.8级M8螺栓脱丝，抗拉力承载力极限值为8.0KN。
试验室堆载试验，至变形过大，不能继续承载时的抗拉承载力极限值为2.0KN。
综合有限元分析及试验室内试验，可取单个TT形压块的承载力设计值为100kg，即1.0KN。
此外,由于此种压块下端距支架结构的距离设置为2mm，一旦一块电池组件脱落，压块的“两条腿”就起到支撑作用，不至于发生连环脱落，能在一定程度上起到防止电池组件连续脱落的作用。
综上所述，可取单个压块的承载力设计值为以下数据：
U形压块：0.5KN。
π形压块：0.5KN。
TT形压块：1.0KN。
第
二、光伏支架U形檩条与U形横梁的连接节点的有限元分析及加强措施（指针对问题的解决办法)
1、存在的问题(Emerson)
光伏支架连接节点的另一个薄弱环节，就在U形檩条与U形横梁的连接节点。目前国内厂家常用的做法是利用螺母板直接将U形檩条与U形横梁相连，对于受力较大的U形斜梁容易引起变形过大，螺母板脱出情况(Condition)。
2、解决措施（指针对问题的解决办法)
经有限元分析，U形斜梁容易产生较大变形。同时，由于U形檩条的下部开孔容易产生应力集中，发生螺栓孔撕裂。
因此，为确保结构安全，对该节点进行了改进处理，采用连接螺栓穿透U形斜梁，并在螺栓与薄壁构件连接位置增设大垫片及U形垫片加强，避免U形斜梁产生如上大变形，同时解决了螺栓孔应力集中被撕裂的问题(Emerson)。太阳能铝边框强度及牢固性强、抗拉力性能强、弹性率、刚性、金属疲劳值高、耐紫外线能力强、稳固性能好、使用年限时间长。
第
三、光伏支架钢管立柱与钢制地锚螺栓顶丝连接节点分析及改进措施
1、存在的问题
光伏支架连接节点的另一个薄弱（解释:单薄而不坚强)环节，就在光伏支架钢管立柱与钢制地锚的螺栓顶丝连接节点。目前国内厂家常用的做法是利用4.8级M16螺栓穿过钢地锚，利用螺杆将插入其中的钢管立柱顶紧连接。
此种连接方式，虽然有支架高度方便调整及安装方便的优点，但存在在风荷载反复作用下钢管立柱从钢地锚中拔出破坏的风险。
2、解决措施
经研究，为防止钢管立柱从钢制地锚中拔出破坏，确保结构安全，可以采用以下两种方法。
一种方法就是在此节点增加穿透销钉，用销钉来抗剪，防拔出。
另一种是控制顶紧螺栓施工扭矩。通过试验室试验，对于φ76*4钢地锚与φ60*3钢管柱连接，当4.8级3M16螺栓扭矩达到70N.M时，钢管柱与钢地锚顶紧连接节点的抗拔承载力极限值为10.0KN，承载力设计值可取5.0KN。
