一种光伏支架变截面模量立柱及其加工方法与流程

1.本发明涉及光伏支架技术领域，特别是涉及一种光伏支架变截面模量立柱及其加工方法。


背景技术：

2.现有技术中，光伏支架的立柱往往采用等截面金属构件材料制作而成。而光伏支架主要是受到水平风力荷载的作用，因此光伏支架立柱主要是作为抗弯构件使用，其轴心抗压作用是次要的。结构计算时，往往按照柱脚的最大弯矩选择金属材料，柱脚以上的弯矩是逐步递减的，当采用等截面金属构件材料制作立柱时，即意味着柱脚以上的金属材料是逐步增大浪费比例的。
3.降低光伏电站投资成本，一直是新能源行业的追求，其中重要的研究内容是降低光伏支架金属耗材量，减少立柱的金属耗材量便是研究的方向之一。而现时追求大幅度的降低光伏支架材料消耗量，在技术设计层面已经很困难了。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种在满足立柱的抗弯抗压功能的前提下，能够节省材料，降低成本的光伏支架变截面模量立柱及其加工方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种光伏支架变截面模量立柱，包括等截面的柱体部，及设置于所述柱体部底部、沿所述柱体部中性轴对称分开的腿部，所述腿部的截面离开中性轴，且自顶向底所述腿部的截面与所述中性轴之间的距离逐渐变大，所述腿部的底部连接于柱脚板。
7.进一步，两条所述腿部之间连接有缀条，所述缀条与两条所述腿部形成a字形。
8.进一步，两条所述腿部与所述柱体部连接转折处设有小孔。
9.进一步，所述柱体部长度占整体长度的10％～50％，所述腿部长度占整体长度的50％～90％。
10.进一步，所述柱体部材料为h型钢或工字钢或槽钢或方矩圆管。
11.进一步，所述腿部的底部焊接于所述柱脚板。
12.进一步，两条所述腿部之间的夹角为3
°
～45
°
。
13.一种光伏支架变截面模量立柱的加工方法，包括：
14.在等截面柱体的设定位置向下、沿所述柱体的中心线切割出剖分线；
15.外力将所述剖分线两侧的两个腿部对称拉开；
16.将所述腿部的底部焊接于柱脚板。
17.进一步，切割所述剖分线之前，还包括：先斜向切割所述等截面柱体的底部柱脚端面，以便于所述腿部端面与所述柱脚板平行焊接；然后在所述等截面柱体的中心线两侧切割缀条连接孔，以便于最后连接缀条。
18.进一步，切割所述剖分线之后，还包括：在剖分线的顶部切割小孔；然后将所述等
截面柱体顶部垂直切断，形成单个立柱下料胚体。
19.本发明的有益效果：
20.在等截面的柱体部底部设置对称分开的腿部，腿部的截面离开中性轴，且自顶向底腿部的截面与中性轴之间的距离逐渐变大，因此腿部底部的截面模量是最大的，在不增加或极少增加立柱金属材料的前提下，大幅度提高了腿部的抗弯截面模量，即可大幅度提高立柱下部的抵抗弯矩，因此在底部要求抵抗弯矩确定值的情况下，减少了金属材料消耗量同时提高了抗压抗弯能力。
附图说明
21.图1为本发明光伏支架变截面模量立柱未加工时的型材示意图；
22.图2为本发明光伏支架变截面模量立柱切割剖分线的示意图；
23.图3为本发明光伏支架变截面模量立柱将腿部拉开后的示意图；
24.图4为本发明光伏支架变截面模量立柱加工完成的示意图；
25.图中，1—柱体部、2—腿部、3—柱脚板、4—小孔、5—缀条、6—缀条连接孔、7—柱脚、8—等截面柱体、9—剖分线。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
28.如图4，本发明提供一种光伏支架变截面模量立柱，一般是由金属材料制成，立柱包括位于顶部的等截面的柱体部1，及设置于柱体部1底部、沿柱体部1中性轴对称分开的腿部2，腿部2的截面离开中性轴，且自顶向底腿部2的截面与中性轴之间的距离逐渐变大，因此自顶向底腿部2的截面模量是逐渐变大的，即立柱的截面模量是变化的。腿部2的底部连接于柱脚板3。其中柱体部1为一维或二维中心线对称的结构，腿部2则沿中心线对称设置，对于型材，该中心线即为其中性轴。立柱整体形成倒y形，腿部2的截面模量相对于柱体部1的截面模量来说是变化的，即从顶部向底部截面模量逐渐变大。
29.在本实施例中，柱体部1长度占立柱整体长度的10％～50％，腿部2长度占立柱整体长度的50％～90％。
30.优选的，两条腿部2之间连接有缀条5，缀条5与两条腿部2形成a字形，缀条5可以设有一条或多条，通过缀条5加强腿部2的刚度和强度，缀条5可以是条状，也可以是板状。
31.优选的，两条腿部2与柱体部1连接转折处设有小孔4，为消除应力孔和诱导屈服变形孔。
32.优选的，腿部2的底部焊接于柱脚板3。腿部2的底部柱脚7端面需要加工为与柱脚板3平行的状态，保证能够平直的与柱脚板3焊接。
33.优选的，两条腿部2之间的夹角为3
°
～45
°
，能够满足绝大多数应用场景的要求，且加工难度系数小。
34.在本实施例中，柱体部1材料为h型钢或工字钢或槽钢或方矩圆管，腿部2由柱体部1切割拉伸形成。
35.本发明通过在等截面的柱体部1底部设置对称分开的腿部2，腿部2的截面离开中性轴，且自顶向底腿部2的截面与中性轴之间的距离逐渐变大，因此自顶向底腿部2的截面模量是逐渐变大的，在不增加或极少增加立柱金属材料的前提下，大幅度提高了腿部2的抗弯截面模量，即可大幅度提高立柱下部的抵抗弯矩，因此在底部要求抵抗弯矩确定值的情况下，减少了金属材料消耗量同时提高了抗压抗弯能力。
36.如图1至图4，本发明还提供一种光伏支架变截面模量立柱的加工方法，包括：
37.斜向切割等截面柱体8的底部柱脚7端面，以便于腿部2与柱脚板3平行焊接；
38.在等截面柱体8的中心线两侧切割缀条连接孔6，以便于连接缀条5；
39.在等截面柱体8的设定位置向下、沿柱体8的中心线切割出剖分线9；
40.在剖分线9的顶部切割小孔4，用于消减应力和诱导屈服变形；
41.将等截面柱体8顶部垂直切断，形成单个立柱下料胚体；
42.外力将剖分线9两侧的两个腿部2对称拉开，腿部2上方未拉开的部分为柱体部1；
43.将腿部2的底部焊接于柱脚板3；
44.将缀条5连接于两个腿部2上的缀条连接孔6。
45.本发明采用型钢管材数控激光切割机进行加工，加工方法简易可靠，能够成本低廉的将等截面型材加工成变截面模量立柱。
46.下面根据具体示例来说明本发明变截面模量立柱的效果。
47.以平单轴跟踪支架钢立柱为例，其材质q355b，h型钢柱，高度2.20米，底部固结，顶部自由。当柱顶部承受5.0吨水平推力时，h型钢柱底部将产生1100000kg-cm的弯矩。选择钢柱抗弯截面模量：
48.wx＝m/σ＝1100000kg-cm/3550kg/cm＝310cm3(计算结果)
49.查热轧h型钢材料表：选用(175
×
175
×
7.5
×
11)规格的h型钢，其重40.3kg/米，截面模量wx＝331cm3(选型结果)。331/310＝1.07，提高7％合理，才能够满足需求。
50.而为了节省钢材，拟选用(125
×
125
×
6.5
×
9)规格的h型钢，重量23.8kg/米，截面模量wx＝136cm3；若采用该h型钢取代(175
×
175
×
7.5
×
11)的h型钢，则每米可节省16.5kg钢材，每钢柱2.20米，每柱可节省36.3kg钢材。节材率为(1－23.8/40.3)
×
％＝41％，但钢柱抗弯截面模量wx＝136cm3则严重不足，仅为计算结果310cm3的43.9％，因此仅通过选用尺寸较小的钢柱来节省钢材的方式并不可取，会导致立柱本身的抗弯强度不够。
51.而采用本发明变截面模量立柱，将全长等截面的h型钢加工为变截面模量立柱，在不增加或极少增加钢材用量的前提下，大幅度提高h型钢腿部的抗弯截面模量wx，便可大幅度提高型钢柱下部的抵抗弯矩。
52.本发明将h型钢沿腹板中心线用激光切割剖开，切割剖开长度为h型钢全长度的50％～90％(优选为70％)。此时h型钢两侧已剖分为对称的t型钢，用外力将t型钢拉开，然后焊接柱脚底板成型，便形成了类似于a形柱的钢柱。特别注意的是，剖开切割缝终端应切割出小孔4，此孔为消除应力孔和诱导屈服变形孔。
53.上述的拟选用(125
×
125
×
6.5
×
9)的h型钢，当腹板中心线剖开后，将h型钢截面高度由125mm拉开至350mm时，其抗弯截面模量扩大到wx＝452cm3，452/136＝3.32倍。柱脚抵抗弯矩与抗弯截面模量wx呈线性比例关系，因此柱脚抗弯能力m亦提高到3.32倍。由此达到了钢柱既减少了钢材消耗量同时还提高了抗压抗弯能力。
54.比较图1与图3，图3的柱身耗钢量较图1节省41％，但抗弯能力还提高了36％。假如，抗弯能力保持相同，柱身重新选材，采用(100
×
100
×6×
8)规格h型钢，每米重量为17.22kg/m，则可以节省耗钢量50％以上。
55.且为了加强腿部2的强度和刚度，柱脚板3面积可适当加大。t型钢的腰部增加缀条5连接，这些加强措施所增加的钢材消耗量占比很小。
56.本发明变截面模量立柱及加工方法适用于各种具有对称截面的型钢钢柱构件的加工，如h型钢、工字钢、槽钢、方矩圆管等等。其目的就是将等截面钢柱材料沿中心线剖开，加工出对称分开的腿部，大幅度提高柱脚抗弯能力，或大幅度节省材料消耗量。由于方矩圆管截面具有二维对称性，还可以沿二维中心线剖开，加工成沿二维中心线对称的4个腿部，形成二维变截面模量钢柱。
57.这种类似a形状的变截面钢柱特别适用于光伏电站方阵支架的抗弯抗压立柱，亦可以适用于其他领域相类似的抗弯抗压钢柱。
58.经济性校核：
59.1、小截面型钢变截面模量立柱替换大截面型钢等截面柱，直接节省钢材。
60.以210电池片的标准组件板为例，每块组件板宽1303mm
×
长2384mm，立柱每一跨安装6块组件板，故柱距应为7.8米。单柱对应装机功率为670wp
×2×
6＝8040wp。根据前述推导，小截面h型钢立柱替换大截面h型钢等截面柱，每根钢柱可节省钢材36.3kg，每kg的终端价值10元，则节约钢材指标为36.3kg/8040wp＝0.004515kg/wp，节省费用指标为0.04515元/wp。
61.(目前平单轴耗钢量约为0.03～0.04kg/wp，相当于30～40吨/mw，而a形柱可节材0.004515kg/wp，相当于节材率11～15％左右。)
62.以此推算：
63.1mw节省钢材4.515吨 节省费用4.515万元
64.10mw节省钢材45.15吨 节省费用45.15万元
65.100mw节省钢材451.5吨 节省费用451.5万元
66.1gw节省钢材4515吨 节省费用4515万元
67.10gw节省钢材45150吨 节省费用45150万元
68.今后十年，我国的光伏电站将采用平单轴跟踪支架，至少超过100gw，采用本发明技术，可挖掘出较大的节材潜力空间。
69.2、小截面型钢变截面模量立柱替换phc桩柱长度，直接降低立柱费用。
70.在农光互补渔光互补这类光伏电站项目中，通常要求支架高度较高，直接导致地面或水面以上的支架柱较高(悬臂超过5米高)。往往为了抗弯刚度和经济性的要求而采用phc桩柱取代h型钢柱。
71.假如采用上述的125
×
125
×
6.5
×
9的h型钢变截面立柱(238元/m，终端价值523.6元/2.2米)取代φ400phc桩(300元/m，终端价值660元/2.2米)，每一根柱可节省费用136.4
元。136.4元/8040wp＝0.01697元/wp
72.以此推算：
73.1mw节省费用16970元
74.10mw节省费用16.97万元
75.100mw节省费用169.7万元
76.1gw节省费用1697万元
77.10gw节省费用1.69亿元
78.这对于高支架的光伏电站，可降低投资额的0.4％。
79.因此，在同等抗弯强度的要求下，本发明变截面模量立柱能够降低钢材消耗量，降低立柱成本。
80.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。