本文是一篇建筑工程管理论文，本文围绕海上光伏支架的结构选型及风荷载特性展开研究，重点探讨了固定式光伏支架在海上环境中的风荷载特性及其结构优化。
第1章 绪论
1.1 论文研究背景
在全球气候变暖的背景下，各国普遍认识到应对这一挑战的重要性。环境恶化和资源匮乏等问题正对人类社会的可持续发展构成严峻挑战。因此，转向可再生能源，减少对化石燃料的依赖，已成为当务之急。全球能源发展正朝着绿色低碳方向迈进。
面对全球气候变暖和能源短缺的双重挑战，中国在2020年9月提出了“碳达峰”和“碳中和”的战略目标，旨在有效控制二氧化碳排放。中国正积极参与全球碳中和行动，借鉴国际经验，结合本国实际，推出了“1+N”政策体系，以推动国内碳中和进程。
在双碳目标指引下，可再生能源使用率快速增长，截至2022年上半年，我国光伏累计装机达到30.88吉瓦。当前光伏项目用地难的问题逐步凸显，光伏下海成为新的发展方向。我国大陆海岸线长1.8万公里，按照理论研究，可安装海上光伏的海域面积约为71万平方公里。由于不占用土地资源，又具有高发电量和高附加值的优势，海上光伏被喻为新能源利用方式中加速向太阳能驱动未来过渡的最有效杠杆。
从国家政策看，2021年12月，国家发改委批复了《江苏沿海地区发展规划（2021—2025年）》，支持探索海上风电、光伏发电和海洋牧场融合发展。2022年3月，科技部发布《十四五国家重点研发计划可再生能源技术重点专项》，提出近海漂浮式光伏发电关键技术及核心部件（典型应用示范），突破近海漂浮式光伏系统设计集成技术及适合海洋气候环境的电气、机械核心部件技术，为沿海经济带开发利用海上光伏提供一条创新技术路径。2022年9月，国家能源局发布《能源碳达峰碳中和标准化提升行动计划》，提出依托大型风电光伏基地建设及海上风电基地、海上光伏项目建设，设立标准化示范工程，充分发挥国家新能源实证实验平台的作用，抓紧补充完善一批标准，形成完善的风电、光伏技术标准体系。
1.2 研究意义
随着全球能源结构向清洁化、低碳化转型，海上光伏发电作为一种新兴的可再生能源利用方式，具有广阔的发展前景。海上光伏支架结构作为支撑光伏组件的重要载体，其设计合理性直接影响到系统的安全性、稳定和经济性。由于海上环境复杂多变，尤其是风荷载对支架结构的稳定性提出了严峻挑战。因此，开展海上光伏支架结构选型与风荷载分析研究具有重要的理论意义和工程价值。首先，通过科学合理的支架结构选型，可以优化材料使用，降低建造成本，同时提高系统的抗风性能和耐久性，确保在恶劣海况下的长期稳定运行。其次，深入分析风荷载对支架结构的影响，有助于揭示其力学行为，为结构设计提供理论依据，从而避免因风致振动或结构失效导致的系统损坏。此外，本研究还可为海上光伏发电技术的规模化应用提供技术支撑，推动海上光伏产业的健康发展，助力实现“双碳"目标。因此，本研究不仅具有重要的学术价值，还对促进新能源技术的工程实践具有重要意义。
第2章 光伏支架结构选型
2.1工程概况及荷载取值
该工程为拟建于上海近海的固定式大跨度光伏支架，不包含桩基的上部支架平面投影为矩形，光伏板东西向尺寸约为80m，南北向尺寸约为40m，面积约为3200m2，支架杆件为圆管界面。
根据《光伏支架结构设计规程》NB/T10115-2018，光伏支架的设计使用年限为25年。本章比选的三种支架结构场地条件是基于上海市，在全球太阳能地图集上可查得上海地区光伏组件最佳倾角为25°，因此本章所有方案均采用25°倾角。
工程主要考虑的荷载工况一共分为四种，分别是结构自重等恒荷载工况、雪荷载工况、风压荷载工况与风吸荷载工况。
光伏板自重以等效节点荷载的形式双向施加在结构上弦，构件自重由程序自动计算施加，节点重取20%构件自重。
计算得到上海市25年重现期的基本风压为0.48kN/m2，基本雪压为0.16kN/m2。高度z处的风振系数𝛽𝑧，对于双列或多列单坡支架结构体系，可取1.0。地面粗糙度为A类，风压高度变化系数𝜇𝑧按GB 50009—2012《 建筑结构荷载规范》的表8.2.1中选取，当离海平面高度为10m时取1.28。根据《光伏支架结构设计规程》NB/T10115-2018，风压力荷载的体形系数取0.925，风吸力荷载的体形系数取-1.15。倾角不大于25°时，屋面积雪分布系数取1.0。
2.2光伏支架结构比选
2.2.1空间计算模型的建立
固定式大跨光伏支架结构分别采用空间网架、抽空空间网架和空间桁架结构形式进行分析。
空间网架结构的优点主要体现在其三维受力体系的高效性：杆件以轴向拉压为主，材料强度得以充分发挥，相比平面结构可节省钢材5%~20%；整体刚度和抗震性能优越，因高次超静定特性可调整内力分布，局部杆件失效不影响整体安全；施工便捷，杆件与节点规格统一，适合工厂预制和快速拼装，适用于大跨度建筑。缺点则集中于节点复杂性与施工精度要求：节点需连接多向杆件（如螺栓球节点），加工安装难度大；大跨度设计需应对动态荷载及稳定性难题，技术门槛较高。总体而言，该结构在效率与适应性上优势显著，但需平衡复杂节点的工艺成本和精度控制。
抽空空间网架结构的优点主要体现在轻量化与经济性：通过抽去部分腹杆和下弦杆（如抽空四角锥网架），在基本保持原结构几何稳定性的前提下，显著减少杆件数量与用钢量（约节省钢材10%~20%），降低材料成本；其下弦杆正交斜放的布局仍能维持合理的内力传递路径。缺点则集中于刚度削弱与施工敏感性：抽空后空间刚度较原结构下降，对杆件加工偏差和节点安装精度要求更高；下弦杆内力可能因局部杆件减少而增大，需额外验算关键节点强度。此外，抽空设计可能限制结构跨度扩展潜力，大跨度应用时需结合加强措施。
第3章 光伏支架风荷载特性研究 .............................. 28
3.1 光伏支架风荷载研究方法 ................................. 28
3.1.1 计算规范 ..................................... 28
3.1.2 现场实测 .............................. 30
第4章 光伏板阵列数值模拟 .............................. 52
4.1 数值模拟模型建立 .................................. 52
4.1.1 阵列数值模型建立 ......................... 52
4.1.2 模拟工况设定 ................................... 52
第5章 总结和展望 ............................ 64
5.1 总结 ........................................ 64
5.2 展望 ................................. 64
第4章 光伏板阵列数值模拟
4.1 数值模拟模型建立
4.1.1 阵列数值模型建立
为减少计算量，对模型进行适当简化，由于支架结构对仿真结果影响很小，将其忽略，只考虑主要迎风构件光伏板。基于原光伏跟踪支架光伏板的尺寸，对模型进行模型缩尺比约为 1:30等比例缩尺，缩尺后的单组光伏板尺寸如3.5.1的内容一致。阵列的数量与方位则如图4-1所示，对单排光伏和阵列光伏进行比较研究。
第5章 总结和展望
5.1 总结
本文围绕海上光伏支架的结构选型及风荷载特性展开研究，重点探讨了固定式光伏支架在海上环境中的风荷载特性及其结构优化。通过分析计算与数值模拟的方法，本文得出以下主要结论：
（1） 结构选型优化：通过对空间网架、抽空空间网架和空间桁架三种结构形式的对比分析，发现抽空空间网架结构在安全性、经济性和施工便捷性方面表现最佳。其用钢量最少，杆件和节点数量较少，且结构刚度满足规范要求，适用于大跨度海上光伏支架。
（2） 风荷载特性分析：通过ANSYS软件对光伏板的风荷载特性进行数值模拟，分析了不同风向角和倾角下光伏板的体形系数及风压分布规律。结果表明，光伏板的倾角和风向角对其风荷载有显著影响，尤其是在0°和180°风向角下，光伏板的风荷载最大。此外，光伏板的倾角越大，风荷载也越大，且风吸力的作用比风压力更为显著。
（3） 体形系数取值：本文通过数值模拟得出了适用于海上光伏支架的风荷载体形系数取值表，可以为工程设计提供参考。与国内外规范相比，数值模拟得到的体形系数较小，能够有效减少材料浪费和经济成本。
（4） 阵列风荷载干扰效应：通过对光伏阵列的数值模拟，分析了不同倾角和风向角下光伏阵列的风荷载分布规律。结果表明，光伏阵列的遮挡效应显著，前排组件对后排组件的风荷载有较大影响，尤其是在0°风向角下，遮挡效应最为显著。
参考文献（略）
