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根據(jù)德國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在一個大型太陽能發(fā)電站項目中，建安成本占光伏項目總投資的21%左右，而太陽能光伏支架的投資僅占總成本的3%左右。因此，相對于太陽能電站高額的投資，支架成本的波動并不是敏感因素，選擇高端支架的成本僅提高不足1%，然而如果選用的支架不合適，后期養(yǎng)護成本會大大增加，整體考慮并不合算。
任何類型的太陽能光伏組件裝配部件，最重要的特征之一是耐候性。需保證25年內結構必須牢固可靠，能承受如環(huán)境侵蝕，風、雪荷載和其它外部效應。安全可靠的安裝，以最小的安裝成本達到最大的使用效果、幾乎免維護、可靠的維修、可回收，這些都是做選擇方案時所需要考慮的重要因素。目前一些支架企業(yè)應用了高耐磨材料以抵抗風力雪荷載和其它腐蝕作用，綜合利用了鋁合金陽極氧化，超厚熱鍍鋅，不銹鋼，抗UV老化等技術工藝來保證陽能支架和太陽能跟蹤的使用壽命。
1光伏支架常見形式
光伏支架具有多種分類方式，如按照連接方式分為焊接式和組裝式，按照安裝結構分為固定式和逐日式，按照安裝地點分為地面式和屋面式等。無論哪種光伏系統(tǒng)，其支架構成大體相似，都包括連接件、立柱、龍骨、橫梁、輔助件等部分。
1.1固定式光伏支架
固定式光伏支架，顧名思義，是指安裝之后方位、角度等保持不變的支架系統(tǒng)。固定安裝方式直接將太陽能光伏組件朝向低緯度地區(qū)放置（與地面成一定的角度），以串并聯(lián)的方式組成太陽能光伏陣列，從而達到太陽能光伏發(fā)電的目的。其固定方式有多種，如地面固定方式就有樁基法（直接埋入法）、混凝土塊配重法、預埋法、地錨法等，屋面固定方式隨屋面材料不同而有不同的方案。
圖1地面支架固定方式
太陽能電池陣列的支架，通常由從鋼筋混凝土基礎中伸出的鋼制熱浸鍍鋅的加工品或者不銹鋼制地腳螺栓來固定。在房屋屋頂上采用混凝土基礎的場合，將房屋的防水層揭開一部分，剝掉混凝土表面．在天井的鋼筋上把陣列用的混凝土座的鋼筋焊接在一起。不能焊接鋼筋時，為了借助混凝土的附著力和自重對抗風壓，使混凝土底座表面凹凸不平使附著力加大。之后，用防水填充劑進行二次防水處理。
如果上述方法也不能實施時,可在防水層上敷設比較貴的硅膠等耐候性緩沖材料，在其上安裝熱浸鍍鋅的重量大的鋼骨架，然后在鋼骨架上固定陣列支架。鋼骨架是用塑料螺栓連接在房上周圍突出的壓檐墻上．目的是風壓不致使陣列及鋼骨架移動。起輔助強化作用。
1.1.1屋面光伏系統(tǒng)支架
屋面光伏支架所安裝的環(huán)境包括坡屋面、平屋面，安裝時需順應屋面環(huán)境，不破壞固有結構及自防水系統(tǒng)，屋面材料包括琉璃瓦、彩鋼瓦、油氈瓦、混凝土面等。針對不同的屋面材料采用不同的支架方案。
屋面按傾斜角度分為坡面和平面兩種，所以屋面光伏系統(tǒng)的傾斜角度有多種選擇，對于坡屋面通常采用平鋪的方式順應屋頂坡度布置，也可以采用與屋頂成一定傾角的布置方式，但是這種做法相對比較復雜，案例較少；對于平屋面則有平鋪和傾斜一定角度兩種選擇。
針對不同的屋面材料，會有不同的支架系統(tǒng)。
1）琉璃瓦屋面支架
如圖1所示，琉璃瓦為堿土、紫砂等軟硬質原料經(jīng)過擠制、塑壓后燒制而成的建筑材料，材質脆，承重能力差。在安裝支架時一般采用特殊設計的主支撐構件與琉璃瓦下層屋面固定，來支撐支架主梁及橫梁，支撐構件如連接板等通常設計成如圖2中所示的多開孔樣式，靈活有效實現(xiàn)支架位置調整。組件與橫梁之間采用鋁合金壓塊壓接。
圖2琉璃瓦屋面、主支撐構件機組件固定壓塊
2）彩鋼瓦屋面支架
彩鋼板是薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成型的鋼材。鋼板采用有機涂層薄鋼板（或稱彩色鋼板）、鍍鋅薄鋼板、防腐薄鋼板(含石棉瀝青層)或其他薄鋼板等。
壓型鋼板具有單位重量輕、強度高、抗震性能好、施工快速、外形美觀等優(yōu)點，是良好的建筑材料和構件，主要用于圍護結構、樓板，也可用于其他構筑物。
屋面彩鋼瓦一般分為：直立鎖邊型、咬口型（角馳式）型、卡扣型（暗扣式）型、固定件連接（明釘式）型。
直立鎖邊型咬口型（角馳式）
卡口（暗扣式）型固定件連接（明釘式）型
在彩鋼瓦屋面安裝光伏系統(tǒng)時，要充分考慮彩鋼瓦形制及其承重能力，以確定支架固定方式。彩鋼瓦屋面支架固定方式主要根據(jù)彩鋼瓦形制而定，如圖4所示：地面支架固定方式
圖4彩鋼瓦屋面支架固定方式
3）混凝土屋面支架
混凝土屋面光伏支架一般為固定傾角的固定方式，也可以采用平鋪方式布置。該型屋面固定方式主要為混凝土基礎和標準化固定連接件固定，分為現(xiàn)澆型和預澆型兩種方式。
·混凝土屋面上現(xiàn)澆矩型基礎，適時合屋面承載小、風荷載高的地區(qū)和屋面；如下圖所示：1矩形基礎與屋面用化學錨栓連接；2矩形基礎上安裝標準化的固定連接件；3.支架與組件組裝。
圖5混凝土屋面現(xiàn)澆矩形基礎
·混凝土屋面上放置預澆矩形基礎，適合屋面承載小、風荷載小的地區(qū)和屋面；矩形基礎上預制標準化的固定連接件。
圖6混凝土屋面預澆矩形基礎
1.1.2地面光伏系統(tǒng)
地面光伏系統(tǒng)是指安裝地點選擇在戶外開闊地面的光伏系統(tǒng)，常見大型地面光伏系統(tǒng)的支架固定方式隨著地質、環(huán)境、氣候等因素而不同。一般采用混凝土條形（塊狀）基礎形式（特殊地基情況需要咨詢專業(yè)土力學設計人員），也可以采用樁基式、地錨式（如圖1）等方式。
圖7螺旋樁基
圖1中所示的四種不同基礎形式可以根據(jù)實際情況選擇，其中混凝土塊配重和預埋件的方法經(jīng)常應用于屋頂太陽能建設或改造，這樣可以有效避免破壞屋頂防水層等結構；地錨法和直埋式常用于太陽能電站的建設中，具有穩(wěn)固、可靠性高的特點。
根據(jù)施工經(jīng)驗，地錨法施工基礎最為牢固，安全性最高，但是地錨與太陽能光伏支架連接部位需要特別定做，造價很高。相比之下，直埋式施工簡便，只需要使用開孔機在現(xiàn)場開孔并灌注混凝土，在混凝土未凝固之前將槽鋼直接插入孔中即可，但是與地錨法相比，直埋式基礎對現(xiàn)場土壤的自立性要求較高，需要進行前期的地質勘測試驗。當然，在地質情況非常有保障的情況下，也可以不做前期的地質勘探。
太陽能光伏支架主、次梁的排布方式主要取決于電池板的安放方法。總的來說，由于電況允許的前提下，直埋法顯然優(yōu)于地錨法。
1.2跟蹤式光伏支架
當太陽光線垂直于電池面板時，太陽能接收到的太陽能最大，發(fā)電功率也最
高。但是地球時時刻刻都在進行公轉和自轉，因此太陽光線角度是時刻都在發(fā)生變化的。而固定支架，因為電池面板是固定的，因此不能保證盡量讓太陽光線垂直電池面板，不能充分利用太陽能。
因此跟蹤系統(tǒng)是盡量去對準太陽，使太陽光線在電池面板單位面積的接收到的太陽光線更多，從而增加發(fā)電量。目前而言，跟蹤系統(tǒng)包括單周跟蹤系統(tǒng)與雙軸跟蹤系統(tǒng)兩大類，單軸跟蹤系統(tǒng)又分為水平單軸跟蹤系統(tǒng)和斜單軸跟蹤系統(tǒng)。
1.2.1水平單軸跟蹤
如圖8所示，水平單軸跟蹤適合在低緯度地區(qū)，通常跟蹤太陽的高度角來提高太陽光線在電池面板的垂直分量來提高其發(fā)電量。水平單軸跟蹤系統(tǒng)，不是單純跟蹤太陽高度角，而是采取一套復雜的計算算法，使得其太陽光線在電池面板的垂直分量最大化，來控制其運動角度。這樣最大化的增大了光伏發(fā)電量。水平單軸跟蹤一般相對于固定支架能增加20%到30%之間。
圖8水平單軸跟蹤示意圖
1.2.2斜單軸跟蹤
斜單軸適合于緯度高于30度以上，通過轉軸的傾斜角補償緯度角。，然后在轉軸方向跟蹤太陽高度角，從而達到更好的增大光伏發(fā)電量。一般相對于固定支架可以增加發(fā)電量25%到35%之間。
1.2.3雙軸跟蹤
雙軸跟蹤，有兩個轉軸同時運動，這樣可以保證太陽電池板始終垂直于太陽光線，因此雙軸跟蹤提升太陽發(fā)電效率最高?？梢蕴岣?5%-45%。
2載荷計算
將太陽能電池陣列安裝在地面上或者房屋屋頂上，以及住宅的平屋頂上的場
合，首先打好牢固的地基，然后再作支架設計。支架(支持物)大部分都是鋼結構。
支架是安裝從下端到上端高度為4m以下的太陽能電池陣列時使用。結構設計時把允許應力設計作為基本，設計用的荷重是以等價靜態(tài)荷重為前提。到現(xiàn)在為止關于太陽能電池陣列的支架沒有設計標準，如果作為電氣設備考慮的場合，按照送電支撐物設計標準，如果作為建筑物考慮，則按照建筑法、建筑物荷重等。但是，這些標準在設計對象和設計方法的考慮中存在一些差異，不適合稱為太陽能電池陣列的設計標準。
2.1假想荷重
作為太陽能電池陣列用支架結構設計時的假想荷重，有持久作用的固定荷重和自然界外力的風壓荷重、積雪荷重及地震荷重等。此外，也有因溫度變化產(chǎn)生的“溫度荷重”，但是在除了焊接結構的長部件以外的支撐物中，與其他荷重相比很小，因此忽略不計。
①固定荷重(G)。組件質量(M G)和支撐物等質量(K G)的總和。
②風壓荷重(W)。加在組件上的風壓力(M W)和加在支撐物上的風壓力(K W)的總和(矢量和)。
③積雪荷重(S)。與組件面垂直的積雪荷重。
④地震荷重(K)。加在支撐物上的水平地震力(在鋼結構支架中地震荷重一般比風壓荷重要小)
荷重條件和荷重組合如表1所示。多雪地區(qū)的荷重組合，把積雪荷重設為平時的70%，暴風時及地震時設為35%。
表1荷重的條件和組合
2.2風壓荷重
在設計太陽能電池陣列安裝用支架結構時，在假想荷重中最大的荷重一般是
風壓荷重。在電池陣列中因風引起的損壞多數(shù)在強風時發(fā)生。這里規(guī)定的風壓荷重只適用于防止因強風導致的破壞為目的的設計。
(1)設計時的風壓荷重
作用于陣列的風壓荷重：W=CW×q×AW
式中W是風壓荷重(N)；CW是風力系數(shù)；q設計用速度壓(N/m2)；AW是受風面積(m2)。
(2)設計時的速度壓
設計時的速度壓：q=q0×α×I×J
式中q是設計用的速度壓(N/m2)；q0是基準速度壓(N/m2)；α是高度補償系數(shù)；I是用途系數(shù)；J是環(huán)境系數(shù)。
對于設計速度壓q，一般應按照如下準則計算:對于地上16m以下和16m以上場合的速度壓算式應按照如下準則計算：地上16m以下的場合: 60；地上16m以上的場合: 1204。這里，h為地面以上的高度。在地面31m以上安裝的場合，風力系數(shù)規(guī)定為1.5以上。
①基準速度壓q0。設定基準高度10m，由下式算出：q0= 0.5ρ×V02式中q0是基準速度壓(N/m2)；ρ是空氣密度風速(N·s2/m4)；V0是設計用基準(m/s)?？諝獾拿芏仍谙奶旌投觳灰粯樱瑥陌踩嵌瓤紤]取數(shù)值大的冬天的值1.274N·s2/m4。設計用基準風速取在太陽能電池陣列的安裝場所，地上高度10m處，在50年內再現(xiàn)的最大瞬時風速。
②高度補正系數(shù)α。隨地面以上的高度不同，速度壓也不同，因此要進行高度補正。高度補正系數(shù)由下式算出:α=,式中α是高度補正系數(shù)；h是陣列的地面以上高度；h0是基準地面以上高度l0m；n是表示因高度遞增變化的程度，5為標準。
③用途系數(shù)I。是與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的用途重要程度對應的系數(shù)(參見表2)。通常，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的風速的設計用再現(xiàn)期限設為50年，這相當于用途系數(shù)1.0。
表2 用途系數(shù)
短時間系統(tǒng)，且陣列位于地面以上高度為2m 以下場合
④環(huán)境系數(shù)J。是與太陽能電池陣列的安裝場所的地形和建筑物情況等對應的系數(shù)(參見表3)。陣列的安裝場所設定為在地面以上高度6m以下。
表3環(huán)境系數(shù)
(3)風力系數(shù)
①組件面的風力系數(shù)。風力系數(shù)一般通過風洞實驗確定，更專業(yè)的內容請參考相關資料。
②支撐物構成材料的風力系數(shù)。在支撐物的骨架及單體材料上作用的風壓的風力系數(shù)，由風洞實驗確定，更專業(yè)的內容請參考相關資料。
2.3積雪荷重
設計時的積雪荷重由下式算出：S=CS×P×ZS×AS,式中S是積雪荷重(N)；CS是坡度系數(shù)；P是雪的平均單位質量(相當于積雪1 cm的質量，N/m2)；ZS是地上垂直最深積雪量(cm)；AS積雪面積(陣列面的面積)(m2)。
(1)坡度系數(shù)S C由表4確定。
(2)雪的平均單位質量P
雪的平均單位質量是指積雪厚度為lcm、面積為lm2的質量。一般的地方為19.6N以上，多雪區(qū)域為29.4N以上。
(3)積雪量SZ
太陽能電池陣列面的設計用積雪量設定為地上垂直最深的積雪量SZ，但是，經(jīng)常掃雪而積雪量減少的場合，根據(jù)狀況可以減小SZ值。
2.4地震荷重
設計用地震荷重的計算，可分為一般地區(qū):K=C1×G和多雪區(qū)域:K=C1×(G+0.35S )。式中K是地震荷重(N);C1是地震層抗剪系數(shù)；G是固定荷重(N)；S是積雪荷重(N)。地震層抗剪系數(shù)C1公式為:C1=Z×Ri×Ai×C0，式中C1是地震層抗剪系數(shù);Z是地震地域系數(shù);Ri是振動特性系數(shù);Ai是地震層抗剪分布系數(shù);C0是標準抗剪系數(shù)。
3支架材料及選型
太陽能支架材料、安裝方式的選擇，需要較嚴格的計算才能確定。另外，受安裝地點的質地、氣候、環(huán)境等因素影響，耐候性也是選擇的依據(jù)之一。如質地松軟的安裝地點可以采用地錨的方式固定，若歷史最大風速或最大雪量都在一定范圍內，則可以適當選擇既能滿足要求，成本又較低的材料。計算項目如上述第二章所述，需要計算風載、雪載等。另外，還需考慮維修及材料回收等因素。
目前，太陽能支架的材料主要有鋁合金（Al6005-T5表面陽極氧化）、不銹鋼（304）、 鍍鋅鋼件（Q235熱鍍鋅）等，其中以不銹鋼材料成本最高，耐候性好，可回收利用價值高；
鋁合金支架一般用在民用建筑屋頂太陽能應用上，鋁合金具有耐腐蝕、質量輕、美觀耐用的特點，但其承載力低，無法應用在大型太陽能電站項目上。另外，鋁合金的價格比熱鍍鋅后的鋼材稍高。
鍍鋅鋼支架性能穩(wěn)定，制造工藝成熟，承載力高，安裝簡便，廣泛應用于民用、工業(yè)太陽能光伏和太陽能電站中。其中，型鋼均為工廠生產(chǎn)，規(guī)格統(tǒng)一，性能穩(wěn)定，防腐性能優(yōu)良，外形美觀。值得一提的是，組合型鋼支架系統(tǒng)，其現(xiàn)場安裝，只需要使用特別設計的連接件將槽鋼拼裝即可，施工速度快，無需焊接，從而保證了防腐層的完整性。這種產(chǎn)品的缺點是連接件工藝復雜，種類繁多，對生產(chǎn)制造、設計要求高，因此價格不菲。鍍鋅鋼的另一缺點是材料最終回收利用價值不如前兩種高。
目前最普遍應用的為鍍鋅鋼支架，主要采用型鋼作為主材，所謂型鋼是一種有一定截面形狀和尺寸的條型鋼材，其主要類型有工字鋼、槽鋼、角鋼、圓鋼、方鋼、C型鋼、H型鋼等。
1）角鋼可按結構的不同需要組成各種不同的受力構件，也可作構件之間的連接件。廣泛地用于各種建筑結構和工程結構，如房梁、橋梁、輸電塔、起重運輸機械、船舶、工業(yè)爐、反應塔、容器架以及倉庫貨架等。角鋼屬建造用碳素結構
鋼，是簡單斷面的型鋼鋼材，主要用于金屬構件及廠房的框架等。在使用中要求有較好的可焊性、塑性變形性能及一定的機械強度。生產(chǎn)角鋼的原料鋼坯為低碳方鋼坯，成品角鋼為熱軋成形、正火或熱軋狀態(tài)交貨。
圖12角鋼
2）H型鋼是一種截面面積分配更加優(yōu)化、強重比更加合理的經(jīng)濟斷面高效型材，因其斷面與英文字母“H”相同而得名。由于H型鋼的各個部位均以直角排布，因此H型鋼在各個方向上都具有抗彎能力強、施工簡單、節(jié)約成本和結構重量輕等優(yōu)點，已被廣泛應用。
H型鋼分為寬翼緣H型鋼（HW）、中翼緣H型鋼(HM)、窄翼緣H型鋼（HN）、薄壁H型鋼（HT）、H型鋼樁（HU）等。
圖13 H型鋼
3）C型鋼經(jīng)熱卷板冷彎加工而成，壁薄自重輕，截面性能優(yōu)良，強度高，與傳統(tǒng)槽鋼相比，同等強度可節(jié)約材料30%。
圖14 C型鋼
C型鋼廣泛用于鋼結構建筑的檁條、墻梁，也可自行組合成輕量型屋架、托架等建筑構件。此外，還可用于機械輕工制造中的柱、梁和臂等。
4）矩形管是一種中空的長條鋼材，大量用作輸送流體的管道，如石油、矩形管天燃氣、水、煤氣、蒸氣等，另外，在高彎、抗扭強度相同時，重量較輕，所以也廣泛用于制造機械零件和工程結構。也常用作生產(chǎn)各種常規(guī)武器、槍管、炮彈等。在光伏支架系統(tǒng)中主要作為橫梁使用。
4方陣布局
在太陽能光伏電站設計中，電池陣列的布置非常重要。陣列間的距離對電站的輸出功率和轉換效率有較大的影響，如安裝不妥，后排的太陽光將被前排遮擋。與陣列間距密切相關的是太陽高度角，因此本文中提出了兩種計算太陽高度角的方法，并對結果進行比較。
4.1太陽高度角
太陽能電池陣列安裝見圖15所示，圖中物理量將在下文中進行說明。
圖15電池陣列安裝示意
太陽高度角是指對于地球上的某個地點太陽光的入射方向和地平面之間的夾角。太陽高度角是決定地球表面獲得太陽熱能多少的最重要因素。
4.1.1影子倍率法計算太陽高度角
一般在水平面垂直豎立的高為L的木桿，其南北方向影子的長度為Ls，太陽的高度角為h，方位角為α，那么影子的倍率R可由下式表示:
R = LS/L= ctgh·cosα( 1)
式中: R為影子倍率;L為陣列高度;Ls為影子長度;h為太陽高度角;α為太陽方位角。
陣列的影子長度因安裝場所的維度、季節(jié)、時間不同而異，如果在影子最長的冬至，從午前9:00至午后15: 00，影子對陣列沒有影響，說明太陽電池輸出功率不受影響。通過“冬至太陽位置圖”可以知道這段時間內的太陽高度角h和方位角α。
4.1.2根據(jù)函數(shù)計算太陽高度角
根據(jù)球面三角函數(shù)分析認為太陽高度與觀測者的地理緯度、太陽赤緯和方位角有著一定關系，它們之間的關系式為:
sinh = sinφ·sinδ+ cosφ·cosδ·cosα( 2)
式中:φ———當?shù)鼐暥冉? δ———當?shù)爻嗑暯恰?br />
一年中第n天的赤緯角δ按如下公式計算:
δ= 23. 45·sin[360·(284 + n)/365] ( 3)
式( 2) ( 3)中，若已知某點的地理位置，日期和時刻，就可以算出當?shù)禺敃r的太陽高度角。正午時，太陽方位角為零，則cosα= 1，式( 2)變?yōu)?br />
sinh = sinφ·sinδ+ cosδ·cosδ=cos(φ－δ) = sin［90°－(φ－δ)］( 4)
得出計算太陽高度角的基本公式:
h=90°－(φ－δ) ( 5)
4.2陣列間距的計算
4.2.1利用4.1.1中方法計算間距
由公式( 1)可以得出:
LS= L·ctgh·cosα(6)
h與α根據(jù)當?shù)鼐暥瓤梢圆槌?，Ls即可求出。
4.2.2利用4.1.1中方法計算間距
由圖15可以知道太陽高度角與電池陣列之間的關系，由幾何圖形分析可得:
(L－e)/Ls= tgh = tg［90°－(φ－δ)］(7)
Ls = ( L－e)·ctgh= ( L－e)·ctg［90°－(φ－δ)］( 8)
由公式( 8)可知，太陽高度角h越小，其投影距離L越大。所以設計采用最小的入射角即冬至日太陽高度角進行陣列間距的計算可以滿足要求。
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