光伏支架最優(yōu)跨距仿真分析

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 朱銳 劉剛

0 引言

固定式光伏電站支架系統(tǒng)的東西向跨距是支架設(shè)計(jì)的重要部分?？缇嗯c支架系統(tǒng)前后立柱選型和數(shù)量、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和數(shù)量、支架橫梁的選型等息息相關(guān)。計(jì)算太陽(yáng)能組件陣列支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，最大的荷載一般是風(fēng)荷載。本文以某一光伏電站為例，利用Fluent 6.3平臺(tái)計(jì)算單塊組件所受極限風(fēng)荷載，再利用ANSYS軟件計(jì)算支架橫梁強(qiáng)度，得出合理的支架系統(tǒng)跨距。通過(guò)此算例，提出普適支架系統(tǒng)跨距的合理化建議。

1 組件風(fēng)荷載仿真計(jì)算

Fluent軟件是目前得到設(shè)計(jì)者普遍認(rèn)可的CFD軟件，具有豐富的數(shù)學(xué)模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車(chē)設(shè)計(jì)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。Fluent軟件包含多種求解器，可模擬從不可壓縮到高度可壓縮流范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流場(chǎng)[1]。

幾何模型：組件傾角36°，組件尺寸1.58 m×0.8 m×0.05 m，離地高度為0.6 m，組件中心離入口3 m(入口：仿真計(jì)算流場(chǎng)入口的邊界)[2]。支架系統(tǒng)對(duì)風(fēng)荷載影響較小，以單塊組件建立模型進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算。流場(chǎng)截面滿足阻塞比小于3%的仿真計(jì)算要求[3]。

計(jì)算模型：雙方程k-e RNG模型，使用基于壓力的隱式求解器[4]。為了得到較好的計(jì)算結(jié)果，組件邊界層網(wǎng)格加密，流場(chǎng)尾流區(qū)網(wǎng)格加密，如圖1所示。

設(shè)計(jì)風(fēng)速：37 m/s。

圖1 計(jì)算模型

圖2 組件受力坐標(biāo)系

迭代運(yùn)算收斂后，計(jì)算結(jié)果為：

單塊組件受力Fx=1593 N，F(xiàn)y=-5.4 N，F(xiàn)z=0 N，My=260 Nm。

組件流場(chǎng)區(qū)域速度分布如圖3所示。組件受力主要是垂直于組件的正壓荷載，組件側(cè)向荷載較小。單塊組件自重15 kg。考慮風(fēng)荷載、雪荷載等，以1.2倍的風(fēng)荷載作為總體外部荷載對(duì)橫梁進(jìn)行計(jì)算，單塊組件最大總荷載設(shè)為：

圖3 組件流場(chǎng)區(qū)域速度分布圖(截面)

2 支架橫梁強(qiáng)度計(jì)算

支架東西跨距與橫梁的強(qiáng)度計(jì)算緊密相關(guān)，本文使用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行橫梁強(qiáng)度計(jì)算。ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中有廣泛應(yīng)用[5]。

在本文光伏電站支架設(shè)計(jì)中，橫梁跨距3 m，組件雙排豎向排布。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》可得：

容許撓度f(wàn)max=跨距H/250=3000/250=12 mm；

容許應(yīng)力σb=235 MPa。

支架橫梁選用目前使用最為廣泛的C型槽鋼，截面形狀見(jiàn)圖4。下文中HM-41、HM-52、HM-62分別代表H為41 mm、52 mm、62 mm的C型槽鋼，其他尺寸不變。在光伏支架中，橫梁為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，因此，只需分析一個(gè)跨距的橫梁受力即可。在ANSYS中建立一個(gè)跨距的HM-41橫梁面單元模型，設(shè)置模型的面厚度為2 mm，槽鋼彈性模量為2×1011Pa，泊松比0.3，如圖5所示。

組件寬0.8 m，一個(gè)跨距內(nèi)光伏組件數(shù)目為：(2×3)/0.8=7.5，取 8。

圖4 C型槽鋼截面示意圖

圖5 HM-41橫梁ANSYS模型

8塊組件安裝在2根橫梁上，每根橫梁有2個(gè)面受力，受力面寬為0.014 m。橫梁所受面荷載為：

加載此荷載，求解結(jié)果見(jiàn)圖6。仿真計(jì)算結(jié)果為：f=16.8 mm ≥ fmax；σ =514 MPa ≥ σb。最大撓度和最大應(yīng)力均不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 HM-41橫梁求解結(jié)果

建立HM-52模型，跨距3 m，加載同樣荷載，求解結(jié)果見(jiàn)圖7。仿真計(jì)算結(jié)果為：f=7.9 mm≤fmax；σ=199 MPa≤σb。最大撓度和最大應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 HM-52橫梁仿真結(jié)果

建立HM-62模型，跨距3 m，加載同樣荷載，求解結(jié)果見(jiàn)圖8。仿真計(jì)算結(jié)果為：f=5.2 mm≤fmax；σ=163 MPa≤σb。最大撓度和最大應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 HM-62橫梁仿真結(jié)果

3 不同跨距橫梁強(qiáng)度計(jì)算

利用ANSYS軟件，另外再建立跨距分別為2 m、2.5 m的HM-41模型，跨距為3.5 m的HM-52模型，跨距為3.5 m、4 m的HM-62模型，進(jìn)行37 m/s的風(fēng)荷載強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表中，超出支架設(shè)計(jì)要求的項(xiàng)目用紅色字體表示。

表1 不同跨距橫梁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由表1可知，設(shè)計(jì)風(fēng)速為37 m/s時(shí)，HM-41作為橫梁，跨距最大可設(shè)計(jì)為2 m；HM-52作為橫梁，跨距最大可設(shè)計(jì)為3 m；HM-62作為橫梁，跨距最大可設(shè)計(jì)為3.5 m?？梢哉f(shuō)，設(shè)計(jì)風(fēng)速和橫梁選型決定了支架系統(tǒng)的東西向最優(yōu)跨距大小。

4 小結(jié)

目前光伏電站設(shè)計(jì)中，一般設(shè)計(jì)風(fēng)速為37 m/s。在滿足風(fēng)荷載要求的前提下，如何選擇橫梁型號(hào)、支架跨距，以達(dá)到支架使用鋼材量少、總體成本低是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。本文的仿真計(jì)算結(jié)果表明：使用HM-52作為橫梁、跨距3 m是一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案，支架安全系數(shù)較高。若使用HM-62作為橫梁，跨距可選擇3.5 m，但支架安全系數(shù)較低，最大撓度達(dá)到了10.2 mm?？缇嘣? m以上時(shí)，要達(dá)到相同支架安全系數(shù)，需消耗更多鋼材量。因此，我公司承建的大唐共和、大唐紅寺堡、航天機(jī)電、武威等項(xiàng)目支架跨距均為2.8 m，烏蘭項(xiàng)目支架跨距為3.1 m，均約為3 m。

根據(jù)本文仿真計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)風(fēng)速為37 m/s時(shí)，綜合支架和施工的總成本，建議在光伏電站設(shè)計(jì)中選擇3 m的支架跨距。如果設(shè)計(jì)風(fēng)速增大或需要更高的安全系數(shù)，可采用增大橫梁型號(hào)和略微減少跨距的方法。此結(jié)論對(duì)光伏支架設(shè)計(jì)提供一定理論支持。

[1] (日)太陽(yáng)光發(fā)電協(xié)會(huì). 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006, 13－72.

[2] GB50797-2012, 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 何懼, 朱銳, 王建勃. 光伏電池板風(fēng)荷載數(shù)值模擬計(jì)算[J].太陽(yáng)能, 2013, (16): 56－58.

[4] 韓占忠. FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2008, 14－150.

[5] 張應(yīng)遷, 張洪才. ANSYS有限元分析從入門(mén)到精通[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010, 125－163.