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太阳能光伏支架受力特征有限元分析

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商洛地处秦岭南麓,东经108°34′20″~111°1′25″,北纬33°2′30″~34°24′40″,地形以山地为主[1]。为发展循环经济和生态经济,商洛市大力发展光伏产业,规划到2020年总装机达到500 MW,年发电6亿度,节标煤20万吨,减排CO2 45.8万吨[2-3]。陕西博泽商贸有限公司位于商洛市商丹工业园区,为了扩大生产,服务地方发展,公司决定投资年产10 000 t钢结构生产线用于商洛市光伏产业配套生产光伏支架。由于商洛地处山区,大多数光伏电站需要在山坡上修建,支架的设计参数与平地上建造的光伏电站有所差异。本文利用数值模拟软件,结合当地地形和气象条件,对博泽公司生产的三种不同型号支架承受荷载后的应力特征和位移特征进行对比分析,为地处山区和具有类似气象条件的地区设计光伏支架提供参考。

1 数值计算模型

1.1 模型建立

博泽公司生产的光伏支架主梁和次梁均为卷边槽形冷弯型钢,主体结构原材料为Q235钢。截面尺寸45×41 mm,底面冲孔,冲孔大小44×20 mm,冲孔间距26 mm,模型示意图如图1所示。由于山坡地形崎岖多变,且风速较大,支架次梁跨度不宜过大,结合地表实际状况,取1 500 mm为适宜跨度。

以次梁为分析对象,取1.5、2 mm和2.5 mm三种截面厚度作为对比。材料种类为Q235钢,模型类型为线性弹性各向同性,弹性模量为210 000 N·mm-2,泊松比为0.28,抗剪模量79 000 N·mm-2,质量密度7 800 kg·m-3,张力强度399.83 N·mm-2,屈服强度220.59 N·mm-2,热膨胀系数43 W·(m·K)-1,比热440 J·(kg·K)-1。次梁的数值计算模型如图2所示。

1.2 荷载计算

1.2.1固定荷载

支架次梁的固定荷载(Gk)主要来自支架自重和光伏板重量[4]。

支架自重:以主梁为节点将次梁分为若干段,取最右段为分析对象,即对象左端固定于主梁上,右端100 mm处固定于主梁上,同时有100 mm悬臂,总长度1 600 mm。

经计算,当支架截面厚度为1.5、2、2.5 mm时,支架自重分别为27、36、45 N。

光伏板重量:光伏板单板重量为152 N,每块光伏板的宽度为808 mm,即相邻两个主梁间可以安装1.99块光伏板,总重量302.48 N。次梁为上下两根平行安装,单根次梁承受的光伏板重量为151.24 N。

1.2.2风荷载

风载荷标准值Wk的表达式为[5]:

Wk = βz μs μz ω0 (1)

式中,βz—阵风系数;μs —风荷载体型系数;μz—风压高度变化系数;ω0—基本风压。

商洛地区基本风压(n=50)为0.30 kN·m-2,地面粗糙度为B类[6]。由于光伏电站在山坡上修建,考虑地形条件的修正,风压高度变化系数取2.02。阵风系数1.00,风荷载体型系数取1.50。计算得风荷载取值为0.909 kN·m-2。一块光伏板的面积为1.27 664 m2,单根次承受的风载荷(Wk1)为1.08 kN。

1.2.3雪荷载

风载荷标准值Sk的表达式为:

Sk = μr s0(2)

式中, μr—屋面积雪分布系数;s0—基本雪压。

商洛地区基本雪压(n=50)为0.30 kN·m-2,积雪分布系数为0.52[7]。雪载荷取值为0.156 kN·m-2,单根次梁承受的雪载荷(Sk1)为0.19 kN。

1.2.4荷载效应组合

支架在使用过程中可能同时出现风荷载和雪荷载,在进行支架内力分析时,应按式(3)计算其荷载效应组合设计值[8](S)。

S=1.2Gk+0.9×1.4×Wk1+0.9×1.4×Sk1(3)

计算得当支架截面厚度为1.5、2、2.5 mm时,次梁的所受的荷载分别为1.80、1.81、1.82 kN。

2 数值计算

2.1 应力特征

次梁安装时槽口向上,对支架最左端和距右端100 mm处的支撑面进行约束,约束面大小为45×45 mm,对两个卷边的顶部施加向下的外部载荷。

当截面厚度为1.5 mm时,对支架施加1.80 kN的外部载荷,支架的应力分布特征如图3所示。从图3可以看出,支架应力分布比较均匀,主要集中在35.90 N·mm-2以下,最小应力0.03 N·mm-2,支撑部位附近应力相对较大,应力峰值出现在左端支撑处,为143.49 N·mm-2。

当截面厚度为2 mm时,对支架施加1.81 kN的外部载荷,支架的应力分布特征如图4所示。从图4可以看出,与1.5 mm截面时应力特征相比,同一部位的应力有所减小,应力分布更加均匀,大多不超过26.30 N·mm-2,最小应力0.02 N·mm-2,最大应力出现在两端支撑处,最大应力值为105.15 N·mm-2。

当截面厚度为2.5 mm时,对支架施加1.82 kN的外部载荷,支架的应力分布特征如图5所示。从图5中可以看出,相比1.5 mm和2 mm截面时应力进一步减小,主要分布在20.63 N·mm-2以下,最小应力0.02 N·mm-2,两端支撑处应力较大,最大应力值为82.46 N·mm-2。

2.2 位移特征

截面厚度为1.5 mm时,支架的竖向位移云图如图6所示。从图6中可以看出,支架的最大位移出现在跨中,最大位移为0.92 mm,位移量从中部向两端支撑处递减。位移量大于0.60 mm的部分约占支架整体的30%,在0.30~0.60 mm的约占50%,小于0.30 mm的约占20%。悬臂端有微小位移,约为0.08 mm。

截面厚度为2 mm时,支架的竖向位移云图如图7所示。从图7中可以看出,同1.5 mm厚度相比,整体位移量明显减小,支架的最大位移同样出现在跨中,最大位移为0.71 mm。位移量大于0.60 mm的部分约占支架整体的25%,在0.30~0.60 mm的约占30%,小于0.30 mm的约占45%。悬臂端位移为0.06 mm。

截面厚度为2.5 mm时,支架的竖向位移云图如图8所示。从图8可以看出,同1.5 mm和2 mm截面相比,整体位移量进一步减小,支架的最大位移出现在跨中,最大位移为0.58 mm。位移量在0.30~0.58 mm的约占支架整体的50%,小于0.30 mm的约占50%。悬臂端位移为0.05 mm。

2.3 数值计算结果与分析

通过以上数值计算结果可以看出,随着截面厚度的增大,支架应力减小明显,虽然厚度增大造成支架自重增加,但支架刚度的增加对支架应力分布影响更加显著。三种厚度的峰值应力均小于材料的屈服强度(220.59 N·mm-2),厚度为1.5 mm时的峰值应力比屈服强度小77.1 N·mm-2,厚度为2 mm时的峰值应力比屈服强度小115.44 N·mm-2,厚度为2.5 mm时的峰值应力比屈服强度小138.13 N·mm-2。竖向位移同样随截面厚度的增加而减小,厚度每增加0.5 mm,位移峰值减小约0.20 mm,三种厚度的峰值位移均能满足设计限值。综合考虑产品使用过程中可靠性、设计寿命和生产成本,截面厚度2 mm为最佳方案。通过应力分析还可以看出,支撑部位应力较为集中,明显高于跨中部位,这是由于支撑部位受到向上的约束,应力得不到释放所致。支架右端100 mm悬臂部分应力和位移都较小,满足设计要求。

3 结论

在基本风压(n=50)为0.30 kN·m-2,基本雪压(n=50)为0.30 kN·m-2,地形与商洛类似的山区修建光伏电站,当光伏支架材料为Q235钢,截面尺寸45×41 mm,次梁跨度为1 500 mm时,支架截面厚度宜设计为2 mm;支架的应力和竖向位移都随截面厚度的增加而显著减小,厚度每增加0.5 mm,位移峰值减小约0.20 mm;支架受支撑部位应力较为集中,明显高于跨中部位。支架右端100 mm悬臂部分应力和位移都较小,满足设计要求。

参考文献

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[2] 李俊峰,王斯成.中国光伏发展报告[M].北京:中国环境科学出版社,2011.

[3] 楚冰清.基于移相制的电流型多重化光伏并网逆变器仿真[J].商洛学院学报,2016,30(2):25-30.

[4] 杨涛,范久臣,刘荣辉,等.基于有限元法的太阳能光伏支架结构设计与优化[J].吉林化工学院学报,2016,33(3):40-44.

[5] 陈源.光伏支架结构优化设计研究[J].电力电器,2013,32(17):76-80.

[6] 吕宏伟,李新忠.太阳能光伏支架结构风载取值分析[J].西北水电,2012(5):85-87.

[7] 朱骏江.我国太阳能光伏支架安装存在的问题及解决办法[J].中国高新技术产业,2015(22):91-93.

[8] 张庆祝,刘志章,齐晓慧,等.太阳能光伏板风载的载荷分析[J].能源技术,2010,31(2):93-95.


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