基于有限元分析的固定可調(diào)光伏支架受力分析和強(qiáng)度計(jì)算

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 買(mǎi)發(fā)軍 呂丹

中國(guó)船舶重工集團(tuán)西安第七O五研究所海源測(cè)控技術(shù)有限公司 ■ 白榮麗

0 引言

在當(dāng)今能源短缺的現(xiàn)狀下，新能源產(chǎn)業(yè)已上升為國(guó)家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。隨著國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，光伏電站建設(shè)用地越來(lái)越少，如何提高同等土地面積的光伏電站的發(fā)電量、降低度電成本、實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)已成為整個(gè)光伏行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。光伏組件將吸收到的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度會(huì)直接影響光伏組件的發(fā)電量，而每年不同季節(jié)的太陽(yáng)光輻射角度不同。目前光伏電站常用的是固定傾角光伏支架，造價(jià)低廉，其傾角在光伏電站整個(gè)壽命周期內(nèi)保持某個(gè)常數(shù)值，不能根據(jù)相應(yīng)條件和需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此不能充分發(fā)揮光伏電站的發(fā)電效力，在我國(guó)大規(guī)模建設(shè)光伏電站的情況下，造成了大量潛在電力的浪費(fèi)。而應(yīng)用固定可調(diào)支架，可以通過(guò)一年中多次調(diào)節(jié)傾角增加光伏電站的發(fā)電量。

本文以某項(xiàng)目固定可調(diào)支架為例，重點(diǎn)對(duì)固定可調(diào)支架的主要零部件進(jìn)行校核分析，為固定可調(diào)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古包頭市，項(xiàng)目采用固定可調(diào)支架，調(diào)節(jié)傾角范圍為0°～60°，無(wú)級(jí)可調(diào)。單組支架安裝20塊光伏組件，布置方式為2行10列豎向布置；單塊組件重量為26 kg，組件尺寸為1956 mm×992 mm×40 mm；采用單樁基礎(chǔ)，每組支架設(shè)3跨。單組支架布置圖如圖1所示，固定可調(diào)支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 單組支架布置圖(單位：mm)

圖2 固定可調(diào)支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 固定可調(diào)支架受力分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)本項(xiàng)目單塊光伏組件的面積a=1.956×0.992=1.94 m2。

2)每20塊組件均勻分布在單組支架上，光伏組件傾角為θ，取值和變化范圍為0°≤θ≤60°。單組支架長(zhǎng)為10.154 m，寬為3.932 m，整體面積A=39.93 m2。

2.2 荷載計(jì)算

2.2.1 永久荷載

永久荷載G1主要包括光伏組件及鋼支架的自重，單位為kN/m2。

光伏組件重量G組件=20×26×10=5200 N；

上部鋼支架重量G鋼構(gòu)=2700 N；

所以，總重量G=G組件+G鋼構(gòu)=5200 N+2700 N=7.9 kN；

永久荷載G1=G/A=7.9/39.93≈0.2 kN/m2。

2.2.2 可變荷載

1)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]，查表可獲得項(xiàng)目所在地50年一遇基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2。

當(dāng)計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk的計(jì)算公式為：

式中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/ m2；w0為基本風(fēng)壓，kN/m2；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為高度z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)[2]。

其中，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為所設(shè)計(jì)的追蹤系統(tǒng)安裝于最大高度為5 m的地面上時(shí)，根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附表8.2.1，取μz=1.09；風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1.3；風(fēng)振系數(shù)反映了脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》給出的高聳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并參照有關(guān)資料，取βz=1.0。

由此可知，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk=0.55×1.09×1.3×1.0= 0.78 kN/m2。

2)雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，項(xiàng)目所在地50年一遇基本雪荷載為0.25 kN/m2。實(shí)際雪荷載S受到光伏組件與水平面夾角θ的影響，即：

式中，S0為基本雪荷載，kN/m2；μr為受到θ影響的系數(shù)，稱(chēng)作積雪分布系數(shù)。μr根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的推薦取值，如表1所示。

表1 積雪分布系數(shù)表

圖3 單跨單坡積雪分布系數(shù)

3)組合荷載計(jì)算。組合荷載的公式可表示為：

式中，P為集中荷載；Qk1為起主導(dǎo)作用的可變荷載，此處為風(fēng)荷載；Qk2為起非主導(dǎo)作用的可變荷載，此處為雪荷載；Qk3為其他可變荷載；ψ02為主導(dǎo)荷載系數(shù)；ψ03為非主導(dǎo)荷載系數(shù)。根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，γG1=1.2，γQ1=γQ2=1.4，ψ02=0.7。

垂直于光伏組件方向分力，Wk=0.78 kN/m2時(shí)，式(3)可以簡(jiǎn)化為：

從式(4)可以得出：當(dāng)θ=60°時(shí)，組合荷載F數(shù)值最大，為1.07 kN/m2，支架承受的總荷載Fmax=FA=1.07×39.93=42.73 kN。

3 固定可調(diào)支架強(qiáng)度計(jì)算

3.1 主要結(jié)構(gòu)組成

本項(xiàng)目固定可調(diào)支架主要由主立柱、輔立柱、斜梁、斜撐、檁條、主梁和千斤頂?shù)冉M成，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 固定可調(diào)支架結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

3.2 主立柱強(qiáng)度計(jì)算

每組固定可調(diào)支架包括4根主立柱，材質(zhì)為Q235B，用于支撐主梁，受力模型如圖5所示。

圖5 主立柱受力模型

從圖5有限元分析結(jié)果中可以得到，主立柱的最大位移產(chǎn)生在上端，數(shù)值為8.214 mm，小于36 mm(L/60)；最大應(yīng)力為187.93 MPa，小于215 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3.3 斜梁強(qiáng)度計(jì)算

每組固定可調(diào)支架包括5根斜梁，材質(zhì)為Q235B，用于支撐檁條，受力模型如圖6所示。

圖6 斜梁受力模型

從圖6有限元分析結(jié)果中可以得到，斜梁的最大位移產(chǎn)生在兩端，數(shù)值為3.56 mm，小于11.2 mm(2L/250)；最大應(yīng)力為129.52 MPa，小于215 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3.4 檁條強(qiáng)度計(jì)算

每組固定可調(diào)支架包括4根檁條，材質(zhì)為Q235B，用于支撐組件，受力模型如圖7所示。

圖7 檁條受力模型

從圖7有限元分析結(jié)果中可以得到，檁條的最大位移產(chǎn)生在中間，數(shù)值為5.34 mm，小于9.4 mm(L/250)；最大應(yīng)力為149.90 MPa，小于215 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3.5 主梁強(qiáng)度計(jì)算

每組固定可調(diào)支架包括1根主梁，材質(zhì)為Q235B，用于支撐斜梁，受力模型如圖8所示。

從圖8有限元分析結(jié)果中可以得到，主梁的最大位移產(chǎn)生在中間，數(shù)值為7.01 mm，小于12 mm(L/250)；最大應(yīng)力為190.02 MPa，小于215 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖8 主梁受力模型

3.6 結(jié)論

根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》表2“受彎構(gòu)件撓度容許值”的規(guī)定，主梁撓度容許值為L(zhǎng)/250；材料Q235B對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為215 MPa。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目固定可調(diào)支架各主要部件都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，故支架滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文借助包頭某項(xiàng)目實(shí)際工況，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)固定可調(diào)支架的主要構(gòu)件主立柱、斜梁、檁條、主梁等進(jìn)行了受力分析和強(qiáng)度計(jì)算，可以嚴(yán)格控制各零部件的規(guī)格尺寸和材質(zhì)，確保在安全可靠的前提下實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)。

[1]GB 50017-2003, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50009-2012, 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].