太阳能支架方位角 Q1 取 154° 第

　　由本人自己根据新余市实际情况制作的光伏发电系统设计与施工课程的光伏发电系统支架设计

　　课程设计 课程名称 光伏发电系统的设计与施工 班 级 10 级光伏发电 2 班 专 业 光伏发电技术及应用专业 学 号： 1003030222 姓 名： 刘 正 指导教师： 李 玲 提交日期： 2012 年 11 月 20 日 课程设计成绩： 目录 摘要 ............................................. 1 关键词 ................................................ 1 章 新余市太阳能资源 ........................... 2 1.1 地理位置 .......................................... 2 1.2 气候条件 .......................................... 2 第二章 光伏发电系统阵列设计 ........................ 3 2.1 太阳电池方阵设计................................... 3 2.1.1 太阳能方阵的倾角.............................. 3 第三章 光伏阵列钢支架强度的计算 ..................... 4 3.1 支架强度的计算 .................................... 4 3.1.1 设计对象 .................................... 6 3.1.2 荷重计算...................................... 7 3.1.3 支撑臂支点确定 .............................. 8 第四章 光伏阵列钢支架的设计 ........................ 8 4.1 钢材的分类 ........................................ 9 4.2 钢结构设计 ........................................ 9 4.3 基础稳定性设计.................................... 10 4.4 钢材用量表 ....................................... 11 第五章 接地防雷 .................................. 12 参考文献: ........................................ 13 附录：光伏系统支架设计图纸 ......................... 14 课程设计心得体会 .................................. 15 摘要:太阳能光伏组件发电与日照强度，日照时间以及电池板 摆放位置和倾角有直接关系，针对新余市地理位置以及气候条件，设 计了一种适合新余市实际情况的光伏系统支架。本文对该光伏组件支 架系统的连接方式，材质，选型，负荷分析进行详细的分析和阐述， 支架的结构牢固可靠，能承受自重，风荷载和其他外部效应。安全可 靠的安装，以小的安装成本达到的使用效果，这些都是制作这 种光伏支架方案时所需考虑的重要因素。 关键词：太阳能发电；组件支架；支架设计；负荷分析；材质 选型 1 章 新余市太阳能资源 1.1 地理位置 新余市位于江西省中部偏西，浙赣铁路西段，地处北纬 27°33’～28°05’，东经 114°29’～115°24’。全境东西长 处 101.9 公里,南北宽 65 公里，东距省会南昌市 150 公里，东临樟 树市，新干县西接宜昌市袁州区，南连吉安市青原区，安福县，峡江 县，北毗上高县，高安市，全市总面积 3178 平方公里（占全省总面 积的 1.9%）其中渝水区面积 1785.92 平方公里，分宜县面积 1391.6 平方公里。 1.2 气候条件 新余市属亚热带温润性气候，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，季节情况如下： 季节 时段 气候特点 春季 3 月下旬至 5 月下旬中 气温回升，雨量增加，冷 暖多变，常有低温阴雨天气 夏 初夏 5 月下旬中至 6 月下旬底 温度适宜，雨水充沛 季 盛夏 7 月——8 月 天气炎热，常有干旱 秋季 9 月下旬中至 11 月下旬初 晴天多雨天少，有干旱 冬季 11 月下旬初至 3 月下旬初 严冬多霜雪，冻害常发生 2 新余市历年平均基本气象资料如下表所示： 日 水平辐射 斜面辐射 年 量 量 气温 气温 相对 照 湿度 时 数 长连 续 阴雨天 数 平 13094KJ/ 13714KJ/ 29.4 -7.2 74%-8 165 5天 均 ㎡ ㎡ ℃ ℃ 4% 5h 新余市相对来说出现 12 级以上台风概率不大，一般风速不 超过 10 级，风力破坏度不大，冬季常出现雨雪天气，地面积雪深度 不超过 20cm，新余地区不属于地震常发的地震带上，所以出现破坏 性地震概率相对很小。 第二章 光伏发电系统阵列设计 2.1 太阳电池方阵设计 2.1.1 太阳能方阵的倾角 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 发电能力。与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：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 3 度，向西偏设定为正角度） 固定安装的 LED 路灯系统涉及到如何选择倾角以及如何计 算斜面上的太阳辐射。对于其倾角的选择应结合以下要求进行综合考 虑；（1）连续性（2）均匀性（3）极大性，在这里我们采用近似的方 法来确定倾角。一般的，在我国南方地区，方阵倾角可比当地纬度高 10°—15°。北方地区倾角比当地纬度增加 5°—10°由于新余地区 位于北纬 27°33′～28°05′，因此取当地的纬度大约为 28°，所 以太阳电池方阵倾角 Q=28°+ 10°=38° 方位角计算：通过新余基本气象调查，一天中负荷的峰值时刻为 20:00，该地区的的经度为东经 114°29′～150°24′，所以方位角 Q1=（一天中负荷的峰值时刻-12）×15+（经度-116）=（20-12）× 15+（150-116）=154° 光伏支架和光伏组件方阵的倾角以及方位角一致,所以光伏支架的 倾角 Q 取 38°, 方位角 Q1 取 154° 第三章 光伏阵列钢支架强度的计算 3.1 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 4 伏 组 件 选 择 240Wp 多 晶 硅 光 伏 组 件 ， 单 块 功 率 240Wp ， 组 件 效 率 14.12%。 图3- 1 240Wp多晶硅太阳电池 240Wp多晶硅太阳电池的具体技术参数如下表： 表3- 1 240Wp多晶硅太阳电池太阳电池技术参数表 太阳电池种类 多晶硅 太阳电池组件规格 240Wp 指标 单位 数据 峰值功率 Wp 240 开路电压（Voc） V 37.4 短路电流（Isc） A 8.55 工作电压（Vmppt） V 30 工作电流（Imppt） A 8 5 尺寸 mm 安装尺寸 mm 重量 kg 峰值功率温度系数 %/K 开路电压温度系数 %/K 短路电流温度系数 %/K 10年功率衰降 % 20年功率衰降 % 1650×1030 1020×986 20.1 -0.45 -0.37 +0.06 93 86 3.1.1 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 2 个角钢框架（L50×50×t6）和 7 组螺母,螺栓安装。 2 个角钢框上面横拉 7 根框架角钢，2 个支撑臂（L50×50×t6），下 端基座上面采用竖向 2 根钢管和横向 2 根角钢（L50×50×t6），以及 螺母螺栓若干固定。支架相对水平有 38°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 余地区风速不超过 12 级（32.6m/s），本系统设计风速为 40 m/s， 6 积雪厚度不超过 20cm，取积雪深度为 20cm。由于光伏发电系统有一 定的倾角对 20cm 的积雪有自行滑落的能力，所以本处不考虑积雪所 产生的荷重。 3.1.2 荷重计算 （1）固定荷重 G 组件质量 Gm=20.1kg×6=120.6kg=1182N 角钢框自重 Gk=4.43kg/m×4.2m×2=37.2kg=364.7N 框架自重 Gn=1.36 kg/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=7.7 m2； 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； 7 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=7251N 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。 （3）总荷重 顺风时候总荷重 G+W=1768+7251=9019N 逆风时候总荷重 G- W1=1768-9780=-8012N 3.1.3 支撑臂支点确定 假设角钢框架受到均布荷重的悬空横梁。通过计算找到使角钢不会 被破坏的平衡点，在距 A 点 2500mm 处，如图所示，在 A 点，B 点上 所产生对荷重的反作用力和力矩。 作用于 A，B 两点的作用力，可以分为两个部分。通过设计考虑， 所使用的角钢材料为 SS 时候短期弯曲允许力在其承受范围内。负 荷设计安全考虑。 第四章 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 8 池的规格为宽 240wp 多晶硅太阳电池，长 1650mm、宽 1030mm、厚 50mm、重 20.1kg。 4.1 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:边厚，b:边宽，r:内圆角半径，q:边端圆角半径 4.2 钢结构设计 系统的结构设计为的是可以使系统朝向和倾角不变， 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，空心圆钢。在系统的斜面固上固定太 9 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 SS 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°,7 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，其整体侧面图如右图： 4.3 基础稳定性设计 当受到强风时，对于构造物基础要考虑以下问题： ①受横 向风的影响，基础滑动或者跌倒 ②地基下沉（垂直力超过垂直 支撑力） ③基础本身被破坏 ④吹进电池板背面的风使构 造物浮起 ⑤吹过电池板下 侧的风产生旋涡，引起气压 变化，使电池板向地面吸引 对于③～⑤须采用流体解析 等方法 才能详细研究。研究风向只 10 考虑危险侧的逆风状态 以下所示为各种稳定条件： a．对滑动 的稳定 平时：安全率 Fs≥1.5；地震及暴风时：安全率 Fs≥1.2 b．对跌倒的稳定 平时：合力作用位置在底盘的中央 1/3 以内时 地震及暴风时：合力作用位置在底盘的中央 2/3 以内时 c．对垂 直支撑力的稳定 平时：安全率 Fs≥3；地震及暴风时：安全率 Fs≥2 通过考虑，本设计系统使用独立底座基础，使用钢筋混凝土基础 中伸出的钢制其结构如上图所示。 4.4 钢材用量表 项目 角钢 C 型槽钢 型号 SS SS 圆钢 SS 支 架 的 连 接 SS 件 框架安装螺 栓 支撑安装螺 栓 基础安装螺 栓 SUS304 SWRM SWRM 防护 类型 用钢部位 数 注 量 热浸 镀锌 热浸 镀锌 基 座 内 部 ， 高 点 并 联，对边和斜边 电池板底部 热浸 镀锌 两排基座 8 L50×50×t6，尺寸根据需要裁取 4 实际应用 快速有效的与钢、混凝土或其它结构 成 多种形式的支架系统快捷方便的管道固 定，完美的风管和桥架支撑及其它工艺安 装。 所有的专用配件与Ｃ型槽钢都可以 任意搭配、安全使用。 2 热浸 混凝土地基表面 C 镀锌 型钢上面 7 太阳能支架连接件,型钢组合配合 C 型钢 使用 钝化 热浸 镀锌 热浸 镀锌 2 T 形槽用螺栓 8 8 M14 4 M14 11 第五章 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。 (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 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。后用原土将坑填满整实。电器、设保 护等接地线】接地专用多股 铜芯电缆连接，避雷针的引下线)避雷针的安装。 避 雷 针 的 安 装 好 依 附 在 配 电 室 等 建 筑 物 旁 边 ，以 利 于 安 装 固定，并尽量在接地体的埋设地点附近。避雷针的高度根据要保 12 护的范围而定，条件允许时尽量单独接地。 参考文献: 【1】日本 太阳能发电协会 《太阳能光伏发电系统的设计 与施工》 【2】 韩斐、潘玉良、苏中贤。固定式太阳能光伏板 倾角设计方法研究。 杭州电子科技大学工程设计学报。 【3】杨洪兴，周伟。太阳能建筑一体化技术与应用。中国建筑 工业出版社 【4】李玲，廖卫兵，刘波，张发云，杨祚宝。新余高专报。2010.12 【5】 中国光伏网。光伏系统的防雷设计与施工。2010.6 13 附录：光伏系统支架设计图纸 (本图 CAD 制作后扫描上去的，直接打印 CAD 图即可，此页仅参考) 14 课程设计心得体会 通过这次的课程设计,对于我来说收获还是挺大的, 它锻炼了我 的思考能力和耐心.做这个课程设计除了需要一定知识的积累，还需 要极大的耐心。用所学知识设计生活中的东西，加深了对光伏系统设 计的了解。 在本次设计过程中，感受到了科学的严谨性，同时发现了很多自 身存在的不足之处，对上课所学的知识不能够很好的融会贯通，证明 了一切理论知识都必须与实践相结合才能深刻的理解和掌握。在查阅 的过程中，并不是把所查的资料都一一的采纳，要判断优劣，适当的 取舍相关知识。就这样，不知不觉的我查阅资料的能力也得到了很好 的锻炼。知识的学习是有限的，与具体的实例相结合从而设计不同的 方案，不仅让我懂得怎样把理论应用于实际，更让我懂得了在实践中 遇到的问题怎样用理论去解决，这对于即将步入社会的我，对解决在 未来工作中所遇到的种种问题的能力打下坚实的基础。 在设计的过程中，总是遇到这样这样或那样的问题，有时发现一 个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间来解决。自然而然， 我的耐性在其中建立起来了。在这次的课程设计中也许会了一些新的 软件的使用和 WORD 的一些新功能，这些为我以后的工作积累了一定 的经验，增强了自信心。 15 在这次课程设计中花了不少的时间在设计计算以及 CAD 制图方 面，这些可以增强我的思考和辨别能力。在设计中记得有一天做了一 下午的计算和性价比的计算放在 WORD 中，但由于不小心保存的时候 没有保存结果一下午的计算结果全都没有了，不过还好还记得写数 据，不得不重新写这些数字和文字。不过这也使得我懂得在以后的学 习工作中要认真和心细，这是成功者必的素质。 回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段 日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时 不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有 学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很 重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践 相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自 己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可 以说得是困难重重，但可喜的是终都得到了解决。 。 此次设计也让我明白了思路即出路，要相信自己，开始自己就 的没有头绪，什么都不知道做，但后来遇到有什么不懂不明白的地方 要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没 有弄不懂的知识，收获颇丰。 后想说的是现在每一次一小步的进步，都必将的将来的一大 步。努力了奋斗了，就会得到不一样的感觉，相信自己可以做好，就 一定可以做好。不管做什么，首先都要相信自己。 16
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