基于ANSYS的光伏平單軸跟蹤支架性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

金山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐 萌 金海新源電氣江蘇有限公司 蔡 雄

引言

隨著我國一些高性能的計(jì)算機(jī)工作站技術(shù)涌現(xiàn)和先進(jìn)的數(shù)值測(cè)量實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)手段的發(fā)展與普及，數(shù)值仿真以其所具有的應(yīng)用范圍廣、方便快捷、靈活性好、節(jié)約了人力物力、安全性好、并且能夠?qū)崟r(shí)顯示各類結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空飛行、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、輕型機(jī)器、微電子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)儀表等領(lǐng)域的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

目前常見的數(shù)值仿真有限元分析軟件可以廣泛應(yīng)用于對(duì)各種空間結(jié)構(gòu)的位移場、應(yīng)力學(xué)場、溫度學(xué)場、電磁學(xué)場等進(jìn)行數(shù)值仿真和分析，彌補(bǔ)了我們?cè)谠O(shè)計(jì)和進(jìn)行手算分析時(shí)不能正確考慮到這種結(jié)構(gòu)實(shí)際效果的缺點(diǎn)。太陽能光伏支架主要指的是一種利用發(fā)電系統(tǒng)光伏模塊板系統(tǒng)二維次梁、主橋和支撐柱共同組合而成的空間性構(gòu)件，支架與光伏模塊板之間通過扣夾作用來傳遞負(fù)載。它作為一個(gè)重要的機(jī)械支撐零部件，是其中必不可少的部分。

新型能源通常都是在我國的邊遠(yuǎn)或者更多的地區(qū)，或者說也就是像海島這樣環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)，需要經(jīng)過非常困苦的物料搬送和使用過程，才可以準(zhǔn)確地到達(dá)所需要的設(shè)備。新時(shí)期現(xiàn)代的各種儲(chǔ)能設(shè)備一般是直接通過選擇在一個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜里面的位置來對(duì)其他儲(chǔ)能設(shè)備的單臺(tái)進(jìn)行安裝，設(shè)備的每個(gè)重量都可以說是比較大，有些情況下將儲(chǔ)能設(shè)備的每個(gè)單臺(tái)的重量控制在1.5t 左右。要求與其相配套的箱體必須具有良好的靜負(fù)荷及可以承受的動(dòng)載負(fù)荷。

在其吊裝、運(yùn)輸、安裝、耐震等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于其技術(shù)性質(zhì)的要求都應(yīng)該是極高的，這種類型機(jī)柜具體的強(qiáng)度將會(huì)直接影響該種設(shè)備生產(chǎn)和使用過程中的安全性。目前，關(guān)于電力儲(chǔ)能裝置在國內(nèi)應(yīng)用的研究和推廣仍然還處于試點(diǎn)階段，還沒有一種是針對(duì)電力儲(chǔ)能裝置而進(jìn)行開發(fā)研制出來的重載、耐震式機(jī)柜。一般都是為了選擇一些電力行業(yè)經(jīng)常會(huì)采用的機(jī)柜種類，例如c 型型材、9折型材、16折型材、但這幾種電力行業(yè)經(jīng)見到這些機(jī)柜的最高抗震承載力并不可能大于或超過lt，如果所需要采用的環(huán)保抗震承載力的要求應(yīng)該是在最低抗震烈度7級(jí)以上，此類電力行業(yè)機(jī)柜的最高抗震承載力也是明顯不足。

太陽能光伏支撐是一種大型空間結(jié)構(gòu)，它由次橋、主橋和支撐柱等組成。在這里以有限元軟件為基礎(chǔ)作為理論的依據(jù)，對(duì)光伏支架的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了位移場、應(yīng)力場的大小和數(shù)值仿真與分析。在我們的研究和分析這一點(diǎn)的工作過程中，充分考慮了鋼材結(jié)構(gòu)的時(shí)效性和作用效果，并為大家提供了一種基于有限元的方法來研究和分析鋼材類型最優(yōu)選擇的研究方法。

1 平單軸跟蹤支架原理介紹

當(dāng)今市場上最為主流的追溯儀有平式與垂直單軸追溯儀、傾斜式與雙軸追溯儀。所采用的跟蹤算法各自都有其特點(diǎn)，十分多樣。下面就要著重闡述如何在本文中采用天文算法對(duì)其進(jìn)行追蹤：知道了一個(gè)項(xiàng)目點(diǎn)所在地的太陽經(jīng)緯度及其大小等相關(guān)信息、就能夠使用先進(jìn)的太陽天文學(xué)追溯算法、計(jì)數(shù)得出實(shí)際地點(diǎn)太陽的高度偏角及其方位偏角、通過調(diào)節(jié)追溯儀到所需要的太陽角度、便可以進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

平單軸跟蹤器的軸向一般是采用南北軸，其運(yùn)行基本原理是確保組件在東西方向上跟太陽光線成直角，所以平單軸跟蹤器跟蹤的是太陽的方位角而不是高度角。由于跟蹤的范圍一般是在-60°～60°，如果組件實(shí)時(shí)跟著太陽追蹤，在早上或傍晚太陽高度角較小的時(shí)候，需要的跟蹤角度一般會(huì)超過跟蹤范圍，而停留在±60°位置，此時(shí)前面一排組件會(huì)對(duì)后面一排產(chǎn)生遮擋。

對(duì)于一種水平單邊跟蹤系統(tǒng)，如果我們接受反向跟蹤，不僅可以縮小質(zhì)量范圍，而且為了使光伏板完好無損，可以解決這個(gè)跟蹤系統(tǒng)面臨的許多問題，如光伏生產(chǎn)能力和場地面積的選擇。確定了支持是否應(yīng)使用回溯算法來顯著提高維護(hù)能量的產(chǎn)生，我們?nèi)匀恍枰_定追蹤支援東西方之間的距離。由于東西方之間的距離很大，回溯算法遲早會(huì)啟動(dòng)的可能性相對(duì)較小，因此我們可以保證從整個(gè)平面組件獲得的輻射相對(duì)較大。當(dāng)然，實(shí)際空間間隔的選擇還必須考慮地球的總表面積，可廣泛使用。

2 追跟蹤算法

早上和傍晚的時(shí)候，支架能夠反向旋轉(zhuǎn)，使前排組件陰影剛好沒遮到后排，實(shí)現(xiàn)入射角最大、發(fā)電量最大的目標(biāo)。跟蹤角度的計(jì)算為南北軸向平單軸，某一個(gè)時(shí)刻的高度為太陽位置，高度偏轉(zhuǎn)角為α、方位偏轉(zhuǎn)角為β，根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系式即得到θ=arctan(tanα/sinβ)，正常進(jìn)行跟蹤時(shí)，追溯器上的各個(gè)組件都會(huì)跟隨太陽運(yùn)行的軌跡發(fā)生變化而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其中跟蹤器的運(yùn)行基本原理，就是為了確保各個(gè)組件都處于東西兩個(gè)方向上跟蹤中的太陽光線呈一個(gè)直角，因此，正常情況下追蹤角γ 和夾角θ 恒有γ+θ=90°。

2.1 追跟蹤時(shí)角度的計(jì)算

假設(shè)某項(xiàng)目平單軸跟蹤支架組件縱向雙排安裝、2×10塊組件。寬度3.32米、長度10.1米、跟蹤范圍-45°～45°，使用PVsyst 模擬得到輸出結(jié)果。以1月1日為例，早上的九點(diǎn)和十點(diǎn)時(shí)刻，太陽的高度角分別為5.81°和15.16°，根據(jù)上述公式可計(jì)算得到太陽高度角的東西分量θ分別為7°和20.8°，理論上為了保證輻射的最大化，跟蹤角度應(yīng)為83°和69.2°，但是此時(shí)均超過了跟蹤范圍45°，因此如果沒有采用逆跟蹤技術(shù)，此時(shí)的追蹤角度為45°。如果采用逆跟蹤，根據(jù)上述公式可計(jì)算得到分別為10°和37°。

2.2 追跟蹤對(duì)發(fā)電量的影響

逆向跟蹤對(duì)發(fā)電量的影響在使用PVsyst 軟件計(jì)算逆跟蹤對(duì)發(fā)電量的影響，需要考慮以下兩點(diǎn)：無論是否采用逆跟蹤技術(shù)，光伏方陣接受的直接輻射并沒有變，散射和反射可能有變化，一般情況下逆跟蹤的反而變小，也就是說，如果在PVsyst 軟件中采用“線性遮擋”模式，那么逆跟蹤方式的發(fā)電量反而會(huì)略?。蝗绻赑Vsyst 軟件中采用第三種陰影計(jì)算模式（根據(jù)Layout 組串連接模式），那么逆跟蹤應(yīng)有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 有限元模型

3.1 位移場分析結(jié)果

太陽能支架次梁位移場在次梁光伏板在均布荷載作用下，主梁約束處位移較小，跨中截面位移相對(duì)較大。其中最大撓度為11mm，出現(xiàn)在跨中截面。次梁兩端由于受到光伏板和主梁的空間約束作用，豎向位移最小、僅為0.07mm。計(jì)算結(jié)果符合連續(xù)梁在均布荷載作用下的位移分布規(guī)律。

3.2 應(yīng)力場分析結(jié)果

梁次半徑中間部分的電壓是增加壓力和減少壓力，而支撐部分的張力則是增加張力和降低壓力。鑒于光伏板的強(qiáng)大空間限制對(duì)支撐部分的變形次梁，最大次梁電壓出現(xiàn)在支架的上側(cè)，最大荷載值為128MPa。范圍中心的最大張力電壓僅為68MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根據(jù)簡單持續(xù)次梁手動(dòng)計(jì)算的最大荷載，不考慮光伏板的剛度。

因此，精細(xì)元件模擬分析可能反映不同截面之間的張力分布，準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)張力最大張力的位置，檢查復(fù)雜的工作條件和邊界條件，以及人工計(jì)算過程中無法考慮的，并為工程設(shè)計(jì)提供整體位移和耐久性數(shù)據(jù)。此外，中心線張力的最大張力為59MPa，通過主梁和次梁的精細(xì)單元法計(jì)算的最大拉應(yīng)力，小于鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，支撐結(jié)構(gòu)的承載力安全可靠。

3.3 抗傾覆分析結(jié)果

僅考慮風(fēng)電貨物最不利的反轉(zhuǎn)狀態(tài)，設(shè)計(jì)風(fēng)荷載值為0.57kN/m2。光伏板單元用于施工，設(shè)計(jì)值為0.12kN/m2。主梁和立柱中心的最大張力為48MPa，邊梁與柱交叉處的最大拉力為47MPa，小于鋼材的抗拉強(qiáng)度。用于連接部件的平均扣為10kN、側(cè)扣為8kN。在風(fēng)作用的情況下，接觸元件的法向力應(yīng)分別為2.64kN 和2.58kN，小于皮帶扣的抗拉能力。因此，在不利風(fēng)況下，結(jié)構(gòu)反演計(jì)算是安全的。

4 基于有限元分析的支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

在我們進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，某些類型的機(jī)械結(jié)構(gòu)是在某種程度上由實(shí)際工作所取決于現(xiàn)場的數(shù)值和實(shí)用公式。很難確定實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，也很難確定它們的最高強(qiáng)度與其優(yōu)化結(jié)構(gòu)間的統(tǒng)一性，有限元分析軟件可以廣泛地應(yīng)用于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。

所謂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)該是指為了在規(guī)定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)間內(nèi)完成需要實(shí)現(xiàn)的所有設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且必須使用所具備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)具備的最佳指標(biāo)、或者說是具備的最低成本?？梢詫?shí)施拓?fù)鋬?yōu)化與機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，這為不同種類的機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)施拓?fù)涑叽绲膬?yōu)化提供了出發(fā)點(diǎn)。

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化分析

一般而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指將結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量依據(jù)不同程度地劃分成三個(gè)維度：即對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化、形狀學(xué)上的優(yōu)化和拓?fù)鋵W(xué)上的優(yōu)化。由于其在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化與形狀上的優(yōu)化已經(jīng)從較高水平發(fā)展到了更高水平，但仍然有許多缺陷，它們無法完全改變其整體結(jié)構(gòu)拓?fù)?。在這種情況下，人們開始研究拓?fù)鋵W(xué)。

拓?fù)鋵W(xué)的產(chǎn)生與其形成主要遵循兩個(gè)根據(jù)性的基本原則：一個(gè)就是退化性的原則，另一個(gè)就是發(fā)展性的原理。排除動(dòng)力學(xué)原理的基本思路，在動(dòng)力學(xué)優(yōu)化之前把所有可能性元件或所有動(dòng)力學(xué)材料都添加到動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)中，然后建立合適的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化模型，通過一定的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化手段和方法逐漸消除不必要的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)元素；進(jìn)化動(dòng)力學(xué)原理的基本思路就是將一個(gè)動(dòng)物發(fā)展的思路引入到一個(gè)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)演變的生存中拓?fù)鋬?yōu)化。它通過模擬人類適者生存、自然的選擇、適者生存等自然機(jī)制來獲得最優(yōu)拓?fù)洹?/p>

4.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

以拓?fù)鋬?yōu)化獲取的模擬量數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)，運(yùn)用了響應(yīng)式曲面優(yōu)化分析模塊來對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和大小的優(yōu)化。軸向載荷有時(shí)可能是在引起支撐層的厚度下降或增大而減小后，沿著該孔軸向運(yùn)動(dòng)方向變形的范圍逐漸擴(kuò)展，所以我們需要在對(duì)該孔的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化時(shí)充分考慮。

機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)采用精細(xì)元素分析的應(yīng)用方法。靜力分析應(yīng)主要分析二維和三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形、載荷和張力，這是機(jī)械工程中常見的分析內(nèi)容，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析，需要通過靜力方法對(duì)結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，用于研究結(jié)構(gòu)的固定頻率特性和固有振動(dòng)形式。施加的荷載為位移和應(yīng)力，過渡動(dòng)力分析可對(duì)上述分析進(jìn)行動(dòng)力分析，分析周期性載荷和非周期性載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。例如，在熱應(yīng)力分析過程中，溫度應(yīng)力可能分析工作結(jié)構(gòu)中的溫度分布，接觸分析可用于分析非活動(dòng)狀態(tài)，用于生成結(jié)構(gòu)和傳遞機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

通過有限元軟件對(duì)各種機(jī)柜設(shè)備進(jìn)行不同應(yīng)用場景下的有限元分析，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景的情況進(jìn)行測(cè)量和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，找出各種設(shè)備在機(jī)柜上存在的潛力和風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過多年綜合考慮和測(cè)試的結(jié)果，擬采取以下幾個(gè)措施，針對(duì)電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一些薄弱環(huán)節(jié)予以優(yōu)化與改善。

利用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析，獲取準(zhǔn)確的機(jī)柜應(yīng)力和應(yīng)變模型，并根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證ANSYS 軟件的分析結(jié)果，找出機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié)和潛在危害，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過有限元分析及樣柜的試驗(yàn)驗(yàn)證，提高了機(jī)柜設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，為機(jī)柜的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

綜上，有限元分析法就是一種利用數(shù)學(xué)近似的方式對(duì)現(xiàn)實(shí)物理體系進(jìn)行模擬。在便攜式裝置和設(shè)備塑料殼體的設(shè)計(jì)中，需要通過應(yīng)用有限元分析的技術(shù)和方法來建立一個(gè)有限元的模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分解，優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)，以便利用更小的材料和更低的成本來提高零件的剛度，提升綜合性能，使其滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的需要。