太陽(yáng)能光伏跟蹤系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)方式對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

丁曉勇,肖 斌,朱文逸,朱彥飛,陳昌宏

(1.上海電氣工程設(shè)計(jì)有限公司,上海 201199;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;3.上海維旺光電科技有限公司,上海 201611;4.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,西安 710055;5.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院,西安 710129)

0 前 言

隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，太陽(yáng)能等清潔新能源更顯重要。隨著世界上太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)量的逐年增加截至2020年，全球太陽(yáng)能裝機(jī)容量已累計(jì)超過600 GW，超過70%比重的光伏產(chǎn)品由中國(guó)制造商提供[1]。光伏跟蹤系統(tǒng)提升了太陽(yáng)能的利用發(fā)電效率，在光伏行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2]。目前，光伏跟蹤系統(tǒng)分為固定可調(diào)、平單軸、斜單軸和雙軸跟蹤器，而平單軸跟蹤系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、安裝方便、節(jié)約土地等優(yōu)點(diǎn)得到行業(yè)廣泛認(rèn)可[2-3]。

根據(jù)光伏跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性分析可知，風(fēng)荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)失效是平單軸跟蹤系統(tǒng)的主要失效模式[4-5]，如圖 1所示。鄒云峰等人[3]對(duì)比分析了跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)各國(guó)規(guī)范(中、美、日)得到的光伏結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載與試驗(yàn)結(jié)果均有差異。通過風(fēng)洞試驗(yàn)可明確光伏面板風(fēng)壓分布不均勻，必須考慮面板中心軸處的力矩作用。近年來，多地頻現(xiàn)光伏跟蹤支架倒塌失效問題，失效時(shí)并未達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)速，而是低風(fēng)速導(dǎo)致的光伏矩陣破壞，現(xiàn)場(chǎng)破壞如圖 2所示。通過裝置阻尼器和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)等方式可顯著降低光伏陣列震動(dòng)幅值，極大提升光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性[4,6-7]。

圖1 風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 光伏跟蹤系統(tǒng)風(fēng)致失效

太陽(yáng)能平單軸跟蹤系統(tǒng)在進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)時(shí)，由于風(fēng)場(chǎng)的渦流脫落激發(fā)跟蹤光伏支架的第一階振動(dòng)模態(tài)。隨著渦流脫落，扭矩的突然釋放導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)如圖3所示。Rohr等人[8]建議單獨(dú)的跟蹤支架和陣列外邊緣的跟蹤支架不要在大風(fēng)中處于打平狀態(tài)。該分析結(jié)果與Martnez-Garca等人[5]和Young等人[9]關(guān)于跟蹤支架風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究結(jié)論相近。

圖3 跟蹤光伏支架風(fēng)場(chǎng)渦流脫落

針對(duì)風(fēng)致扭轉(zhuǎn)失效，目前實(shí)際工程中有兩種常用方式緩減主軸的扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，即多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)和單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)合端部阻尼器。但目前針對(duì)不同驅(qū)動(dòng)方式的作用缺少定量性對(duì)比分析，本文結(jié)合工程實(shí)際，基于GB/T 29320-2012《光伏電站太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)技術(shù)要求》[10]、NB/T 10115-2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[11]和GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]分析不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)光伏跟蹤系統(tǒng)風(fēng)致響應(yīng)的影響。

1 風(fēng)荷載確定

1.1 計(jì)算公式

根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[13]、NB/T 10115-2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[11]，計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，垂直作用于光伏組件表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定確定:

wk=βz·μs·μz·w0

(1)

式中：w0為基本風(fēng)壓，kN/m2;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，光伏支架一般可按照1.0取值。

1.2 風(fēng)荷載體形系數(shù)

根據(jù)GB 50009-2012[13]的風(fēng)荷載體形系數(shù)如表 1所示。根據(jù)NB/T 10115[11]的風(fēng)荷載體形系數(shù)如表 2和表3所示，其中表1～3的參數(shù)含義如圖4所示?？紤]到光伏跟蹤系統(tǒng)在受風(fēng)工況下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，且常用支架跟蹤角度范圍±55°，本文建議采用如表 3所示的體型系數(shù)。

表1 GB50009風(fēng)荷載體形系數(shù)

表2 NB/T 10115風(fēng)荷載體形系數(shù)

表3 NB/T 10115風(fēng)荷載體形系數(shù)(條文說明)

圖4 不同規(guī)范中風(fēng)荷載體形系數(shù)

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 工況概況

根據(jù)GB/T 29320-2012[10]設(shè)計(jì)要求，光伏跟蹤系統(tǒng)在風(fēng)速18 m/s以下時(shí)應(yīng)能正常運(yùn)行，風(fēng)速增至18 m/s，跟蹤系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)入抗風(fēng)保護(hù)狀態(tài)[10]。由此，本文設(shè)定工作風(fēng)壓0.2 kN/m2，非工作風(fēng)壓(保護(hù)風(fēng)壓)0.54 kN/m2。工作傾角±55°，非工作傾角0°。考慮到跟蹤系統(tǒng)的除雪功能，本文不考慮雪荷載。構(gòu)件材質(zhì)采用Q355B，彈性模量E=206 000 MPa，屈服強(qiáng)度fy=345 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度f=305 MPa。組件采用雙排方式，組件尺寸2 384 mm×1 303 mm×35 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

本文跟蹤系統(tǒng)擬采用驅(qū)動(dòng)方式：① 單點(diǎn)回轉(zhuǎn)減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式；② 單點(diǎn)回轉(zhuǎn)減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，支架端部配置阻尼器。本文采用的阻尼器性能曲線如圖5所示。在SAP2000有限元軟件中非驅(qū)動(dòng)點(diǎn)立柱頂部通過釋放彎矩R3約束實(shí)現(xiàn)該處主梁(主軸)自由旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖5 阻尼器性能曲線

圖6 驅(qū)動(dòng)方式解決方案

2.2 模型參數(shù)

本文采用SAP2000有限元分析軟件，模型構(gòu)件截面如表4所示，根據(jù)光伏跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的不同，本文所建立有限元模型1(單點(diǎn)驅(qū)動(dòng))、模型2(單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器)、模型3(多點(diǎn)驅(qū)動(dòng))分別如圖7～9所示。

表4 模型構(gòu)件截面

圖7 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)光伏跟蹤支架

圖8 模型2的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器光伏跟蹤支架

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性

模型1、2和模型3的模態(tài)參與質(zhì)量比分別如表5、6和表7所示，模型1的RY達(dá)到83%。模態(tài)分析結(jié)果分別如圖10、11和圖12所示。根據(jù)模態(tài)參與質(zhì)量比及振型分析，振動(dòng)特性分析可知，模型1(單點(diǎn)驅(qū)動(dòng))以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主，模型2(單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器)和模型3(多點(diǎn)驅(qū)動(dòng))以局部振動(dòng)為主。光伏跟蹤系統(tǒng)通過主梁(主軸)端部設(shè)置阻尼器可有效減緩了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的效應(yīng)，同時(shí)通過多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的方式可達(dá)到同樣效果。由此亦可減緩由于風(fēng)流的漩渦脫落導(dǎo)致的振動(dòng)響應(yīng)。

圖10 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)光伏跟蹤支架一階模態(tài)

圖11 模型2的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器光伏跟蹤支架一階模態(tài)

圖12 模型3的多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)光伏跟蹤支架一階模態(tài)

表5 模態(tài)參與質(zhì)量比(模型1：?jiǎn)吸c(diǎn)驅(qū)動(dòng))

表6 模態(tài)參與質(zhì)量比(模型2：?jiǎn)吸c(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器)

表7 模態(tài)參與質(zhì)量比(模型3：多點(diǎn)驅(qū)動(dòng))

3.2 主梁靜力響應(yīng)

模型1、2、模型3由于風(fēng)荷載(Wind-)導(dǎo)致的光伏支架結(jié)構(gòu)主梁(主軸)端部旋轉(zhuǎn)變形分別如圖13(R2=0.20441 rad)、14(R2=0.07089 rad)和圖15(R2=0.03629 rad)所示。相對(duì)于模型1，模型2由于布置阻尼器降低了65.3%的風(fēng)致旋轉(zhuǎn)變形，模型3由于采用多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)降低了82.2%的風(fēng)致旋轉(zhuǎn)變形。

圖14模型2的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器風(fēng)致扭轉(zhuǎn)R2=0.07089

模型1、2、3由于風(fēng)荷載(Wind-)所致主軸扭矩分布分別如圖16(Tmax=6.18 kN·m)、17(Tmax=3.86 kN·m)和圖18(Tmax=2.68 kN·m)所示。相對(duì)模型1，模型2由于布置阻尼器，主梁(主軸)的最大風(fēng)致扭矩降低了37.5%，扭矩分布相對(duì)分散。模型3由于采用多單驅(qū)動(dòng)，主梁(主軸)的最大風(fēng)致扭矩降低了56.6%，且主軸的扭矩分布更加均勻分散，相對(duì)充分利用了主軸的材性。

圖16模型2的無阻尼器風(fēng)致扭矩分布Tmax=6.18 kN·m

圖17模型1的考慮阻尼器風(fēng)致扭矩分布Tmax=3.86 kN·m

圖18 模型3的多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)風(fēng)致扭矩分布Tmax=2.68 kN·m

3.3 立柱靜力響應(yīng)

模型1、2、3由于風(fēng)荷載(Wind-)導(dǎo)致的光伏支架結(jié)構(gòu)立柱底部?jī)?nèi)力分別如表 8(M3=-18.434)、9(M3=14.115)和表 10(M3=11.2469)。相對(duì)于模型1，模型2由于布置阻尼器，降低了立柱23.4%的風(fēng)致彎矩M3，模型3由于采用多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，降低了立柱39.0%的風(fēng)致彎矩M3。根據(jù)分析結(jié)果可知，模型1和模型2的中間立柱(編號(hào)4)M3彎矩最大，立柱編號(hào)如圖19所示，而采用多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的模型3，彎矩最大的立柱處于兩端(編號(hào)2、6)，且所有立柱M3比較相對(duì)均勻，由此會(huì)導(dǎo)致光伏跟蹤系統(tǒng)的水平位移減小。通過SAP2000軟件分析可知，模型1、模型2和模型3由于風(fēng)荷載(Wind-)所致立柱最大水平位移分別為5.4、4.0 mm和3.0 mm。相對(duì)于模型1，模型2和模型3分別降低了25.9%和44.4%。3種驅(qū)動(dòng)方式所致7根立柱頂部水平位移最大值與最小值的差值分別為4.1、2.4、1.7 mm，由此亦可發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)所致主梁變形更加平緩，受力更加均勻。

圖19 立柱編號(hào)

表8 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)立柱內(nèi)力

表9 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器立柱內(nèi)力

表10 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器立柱內(nèi)力

4 結(jié) 論

本文基于SAP2000軟件定量性分析了太陽(yáng)能光伏跟蹤系統(tǒng)中單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)+阻尼器、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)3種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力和靜力特性的影響，形成結(jié)論如下：

(1) 阻尼器的增設(shè)、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式可明顯改善跟蹤系統(tǒng)的振動(dòng)特性，由單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)轉(zhuǎn)為局部振動(dòng)。

(2) 阻尼器的增設(shè)、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式明顯降低跟蹤系統(tǒng)風(fēng)致扭轉(zhuǎn)變形(分別為65.3%和82.2%)，降低結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)，提高結(jié)構(gòu)可靠度。

(3) 阻尼器、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式改善主梁(主軸)的扭矩分布，同時(shí)降低立柱最大彎矩(分別為23.4%和39.0%)，同時(shí)減小了結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移(分別為25.9%和44.4%)，并充分利用材料屬性，節(jié)省主梁和立柱的材料用量。

(4) 建議太陽(yáng)能跟蹤設(shè)計(jì)應(yīng)增加主梁(主軸)旋轉(zhuǎn)變形限值的規(guī)定，阻尼器的選型應(yīng)通過計(jì)算確定，防止阻尼器失效破壞。