跟蹤式光伏支架風(fēng)載荷仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

沈勝伊 董春穎

【摘 要】目前，發(fā)電效率最高的光伏設(shè)備是跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備，是市場(chǎng)熱點(diǎn)和主流產(chǎn)品。此類設(shè)備始終跟蹤太陽(yáng)的方位和仰角運(yùn)動(dòng)，最大限度保證光伏板垂直于光照方向。有關(guān)跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的風(fēng)載荷計(jì)算和分析方面的研究逐漸成為光伏領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。本文主要研究：用流固耦合法計(jì)算光伏支架的最大風(fēng)載荷，用單純形法優(yōu)化和改進(jìn)了光伏支架的結(jié)構(gòu)。本文方法，可用于光伏支架減重和降低成本，對(duì)跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備研制有工程指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)載荷;仿真分析;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);光伏發(fā)電

一、研究背景

跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備主要分為平單軸跟蹤（東西軸或南北軸跟蹤）、斜單軸跟蹤（地心軸跟蹤）和雙軸跟蹤（回轉(zhuǎn)軸和俯仰軸跟蹤）三種。其中，雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備是本文的研究對(duì)象，它有兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸，分別旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽(yáng)的方位和仰角，保持光伏板始終跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，發(fā)電效率較固定式提高35%左右。

雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備光伏支架抗風(fēng)能力較弱，剛性差，影響設(shè)備安全性和跟日發(fā)電量。

本文的研究目的是解決跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備支架性能不夠的工程實(shí)際問(wèn)題，對(duì)該設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)有工程指導(dǎo)意義。

二、跟蹤式光伏支架結(jié)構(gòu)

跟蹤式光伏發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)由支撐柱、雙軸驅(qū)動(dòng)減速器、支撐架和光伏板組件組成。跟蹤式光伏支架主要包括支撐架和支撐柱。支撐架由多個(gè)H型鋼、槽鋼、C型鋼、方鋼管焊接而成，起到固定和支撐光伏板的作用，單個(gè)型鋼的主要受力形式為彎曲力矩和剪切力。支撐柱由兩段直徑分別為203mm和299mm的圓管法蘭連接而成，是固定光伏支架的重要承載部件。

光伏支架主要承受光伏組件的風(fēng)載荷、光伏重力及自身重力，如果支架設(shè)計(jì)不合理，風(fēng)載荷過(guò)大會(huì)發(fā)生過(guò)大的彎曲變形，甚至損壞設(shè)備，因此對(duì)光伏支架受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得十分必要。

三、流固耦合風(fēng)載荷計(jì)算方法

1.流固耦合方法

流固耦合是研究固體在流場(chǎng)作用下的各種行為及固體位移對(duì)流場(chǎng)影響與相互作用的一種理論方式。重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響流體。進(jìn)行流體與固體之間的耦合分析，相比與僅僅進(jìn)行流場(chǎng)或者結(jié)構(gòu)分析更能貼合實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)提高了準(zhǔn)確度。

2.光伏板風(fēng)載荷流固耦合計(jì)算

本文使用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件的流固單向耦合模塊，采用分離耦合求解方法，首先仿真回轉(zhuǎn)角0°、俯仰角90°光伏板風(fēng)載荷，然后將支撐架作為梁模型繪制在光伏板表面，其次添加支架中心點(diǎn)固定約束，最后將流體載荷耦合到固體靜力學(xué)進(jìn)行仿真。該方法考慮了實(shí)際風(fēng)壓的分布特性，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

仿真極限風(fēng)載荷環(huán)境的假設(shè)條件，根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50797-2012）支架載荷計(jì)算規(guī)定來(lái)確定。按《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》（GB50009-2012）中25年一遇載荷取值，查表計(jì)算后，可得沈陽(yáng)地區(qū)25年重現(xiàn)期風(fēng)速為28m/s[1，2]。

四、光伏支架風(fēng)載荷仿真

1.支架應(yīng)力仿真分析

圖1為光伏支撐架應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力出現(xiàn)在150×75型鋼與175H型鋼的連接位置（c點(diǎn)），此處截面尺寸變化大，容易應(yīng)力集中，主要受彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。最大應(yīng)力值為170.8Mpa，大于.許用應(yīng)力142Mpa，在極限風(fēng)速環(huán)境下有失效的可能。

通過(guò)應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)零件受力不均衡，其中抗彎強(qiáng)度較大的175H型鋼和140方鋼管應(yīng)力很小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。優(yōu)化方向：將150×75H型鋼的彎矩載荷轉(zhuǎn)移到175H型鋼和140方鋼管上，達(dá)到降低最大應(yīng)力的目的。

支撐柱最大應(yīng)力在圓管根部，最大應(yīng)力值為116Mpa，小于許用應(yīng)力值。通過(guò)應(yīng)力分析可知：支撐座的強(qiáng)度較高，安全可靠，無(wú)需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.形變量仿真分析

圖2為光伏支撐架結(jié)構(gòu)位移云圖，C型鋼邊緣（a點(diǎn)）形變量最大，最大形變34mm，大于許用形變量20mm，風(fēng)大時(shí)會(huì)影響跟蹤效果和發(fā)電效率，降低發(fā)電量。

通過(guò)形變量分析，發(fā)現(xiàn)C型鋼a到b段剛性較差，b到c段剛性很好。優(yōu)化方向：將b到c段支撐型鋼移動(dòng)到a到b段，提高C型鋼a到b段的剛性，達(dá)到降低最大形變量的目的。

五、光伏支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上文可知，初步設(shè)計(jì)的光伏支撐架有以下幾個(gè)問(wèn)題：支撐架局部強(qiáng)度不夠，H型鋼連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力;支撐架剛性不夠，支撐架邊緣形變量較大，最大形變量大于許用形變量。Nelder-Mead單純形法是一種用來(lái)求實(shí)值函數(shù)最小值的算法[3]，本文使用COMSOL Multiphysics優(yōu)化研究模塊，用Nelder-Mead單純形法優(yōu)化方法優(yōu)化支撐架結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)是改變型鋼的安裝位置，在滿足強(qiáng)度和剛性的前提下，還要支撐架質(zhì)量最小，盡量降低支架成本。

六、優(yōu)化后結(jié)構(gòu)仿真分析

1.應(yīng)力仿真分析

仿真分析應(yīng)力最大地方出現(xiàn)在140方管中間位置，該位置連接減速器，最大應(yīng)力值為140.8Mpa，最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2形變量仿真分析

仿真分析形變最大的地方為上端C型鋼，最大形變14.76mm，小于許用形變量，優(yōu)化后支撐架剛性好，設(shè)備在運(yùn)行中可以穩(wěn)定跟蹤太陽(yáng)，提高跟蹤發(fā)電效率，滿足剛性設(shè)計(jì)要求。

6.4.5 結(jié)論

通過(guò)表1對(duì)比優(yōu)化前后的仿真數(shù)據(jù)，分析可得：優(yōu)化前的支撐架，其最大應(yīng)力為170.8Mpa，最大形變量34mm，質(zhì)量為549.3kg，不滿足極限風(fēng)載荷的設(shè)計(jì)要求;優(yōu)化后的支撐架，其最大應(yīng)力為140.8Mpa，最大形變量14.76mm，質(zhì)量為503kg，滿足設(shè)計(jì)要求。支撐架優(yōu)化后最大應(yīng)力更小，最大形變量更小，質(zhì)量更輕。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后最大應(yīng)力降低18%，最大形變降低57%，質(zhì)量降低8%，優(yōu)化效果明顯。

本研究通過(guò)使用COMSOL Multiphysics軟件的流固耦合模塊，仿真得到了光伏板最大風(fēng)載荷;采用Nelder-Mead 單純形法優(yōu)化方法，對(duì)模型結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后支架質(zhì)量更輕，強(qiáng)度和剛性更好。本文的風(fēng)載荷仿真方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)光伏設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)有工程指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).（GB 50797-2012）光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范.2012.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).（GB 50009-2012）建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范.2012.

[3]馬昌訓(xùn)，吳運(yùn)新，唐宏賓等.基于Nelder-Mead算法的插裝閥AMESim仿真模型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2011，39（01）：86-88.

（作者單位：1.沈陽(yáng)佳曄能源科技股份有限公司;2.沈陽(yáng)飛亞水藝園景工程有限公司）