基于有限元分析的固定可調光伏支架受力分析和強度計算

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 買發軍 呂丹

中國船舶重工集團西安第七O五研究所海源測控技術有限公司 ■ 白榮麗

0 引言

在當今能源短缺的現狀下，新能源產業已上升為國家戰略產業。隨著國內光伏產業規模的逐步擴大，光伏電站建設用地越來越少，如何提高同等土地面積的光伏電站的發電量、降低度電成本、實現平價上網已成為整個光伏行業關注的熱點。光伏組件將吸收到的太陽光轉換成電能，太陽光的輻射強度會直接影響光伏組件的發電量，而每年不同季節的太陽光輻射角度不同。目前光伏電站常用的是固定傾角光伏支架，造價低廉，其傾角在光伏電站整個壽命周期內保持某個常數值，不能根據相應條件和需要進行調節，因此不能充分發揮光伏電站的發電效力，在我國大規模建設光伏電站的情況下，造成了大量潛在電力的浪費。而應用固定可調支架，可以通過一年中多次調節傾角增加光伏電站的發電量。

本文以某項目固定可調支架為例，重點對固定可調支架的主要零部件進行校核分析，為固定可調支架結構設計提供參考。

1 工程概況

本項目位于內蒙古包頭市，項目采用固定可調支架，調節傾角范圍為0°～60°，無級可調。單組支架安裝20塊光伏組件，布置方式為2行10列豎向布置；單塊組件重量為26 kg，組件尺寸為1956 mm×992 mm×40 mm；采用單樁基礎，每組支架設3跨。單組支架布置圖如圖1所示，固定可調支架結構簡圖如圖2所示。

圖1 單組支架布置圖(單位：mm)

圖2 固定可調支架結構簡圖

2 固定可調支架受力分析

2.1 基礎數據

1)本項目單塊光伏組件的面積a=1.956×0.992=1.94 m2。

2)每20塊組件均勻分布在單組支架上，光伏組件傾角為θ，取值和變化范圍為0°≤θ≤60°。單組支架長為10.154 m，寬為3.932 m，整體面積A=39.93 m2。

2.2 荷載計算

2.2.1 永久荷載

永久荷載G1主要包括光伏組件及鋼支架的自重，單位為kN/m2。

光伏組件重量G組件=20×26×10=5200 N；

上部鋼支架重量G鋼構=2700 N；

所以，總重量G=G組件+G鋼構=5200 N+2700 N=7.9 kN；

永久荷載G1=G/A=7.9/39.93≈0.2 kN/m2。

2.2.2 可變荷載

1)風荷載標準值計算。根據GB 50017-2003《鋼結構設計規范》[1]和GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[2]，查表可獲得項目所在地50年一遇基本風壓為0.55 kN/m2。

當計算主要承重結構時，風荷載標準值Wk的計算公式為：

式中，Wk為風荷載標準值，kN/ m2；w0為基本風壓，kN/m2；βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為高度z處的風壓高度變化系數[2]。

其中，風壓高度變化系數為所設計的追蹤系統安裝于最大高度為5 m的地面上時，根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》附表8.2.1，取μz=1.09；風荷載體型系數μs=1.3；風振系數反映了脈動風對結構振動的影響，根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》給出的高聳結構數據并參照有關資料，取βz=1.0。

由此可知，風荷載標準值Wk=0.55×1.09×1.3×1.0= 0.78 kN/m2。

2)雪荷載標準值計算。根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》，項目所在地50年一遇基本雪荷載為0.25 kN/m2。實際雪荷載S受到光伏組件與水平面夾角θ的影響，即：

式中，S0為基本雪荷載，kN/m2；μr為受到θ影響的系數，稱作積雪分布系數。μr根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》的推薦取值，如表1所示。

表1 積雪分布系數表

圖3 單跨單坡積雪分布系數

3)組合荷載計算。組合荷載的公式可表示為：

式中，P為集中荷載；Qk1為起主導作用的可變荷載，此處為風荷載；Qk2為起非主導作用的可變荷載，此處為雪荷載；Qk3為其他可變荷載；ψ02為主導荷載系數；ψ03為非主導荷載系數。根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》，γG1=1.2，γQ1=γQ2=1.4，ψ02=0.7。

垂直于光伏組件方向分力，Wk=0.78 kN/m2時，式(3)可以簡化為：

從式(4)可以得出：當θ=60°時，組合荷載F數值最大，為1.07 kN/m2，支架承受的總荷載Fmax=FA=1.07×39.93=42.73 kN。

3 固定可調支架強度計算

3.1 主要結構組成

本項目固定可調支架主要由主立柱、輔立柱、斜梁、斜撐、檁條、主梁和千斤頂等組成，結構圖如圖4所示。

圖4 固定可調支架結構圖(單位：mm)

3.2 主立柱強度計算

每組固定可調支架包括4根主立柱，材質為Q235B，用于支撐主梁，受力模型如圖5所示。

圖5 主立柱受力模型

從圖5有限元分析結果中可以得到，主立柱的最大位移產生在上端，數值為8.214 mm，小于36 mm(L/60)；最大應力為187.93 MPa，小于215 MPa，滿足強度要求。

3.3 斜梁強度計算

每組固定可調支架包括5根斜梁，材質為Q235B，用于支撐檁條，受力模型如圖6所示。

圖6 斜梁受力模型

從圖6有限元分析結果中可以得到，斜梁的最大位移產生在兩端，數值為3.56 mm，小于11.2 mm(2L/250)；最大應力為129.52 MPa，小于215 MPa，滿足強度要求。

3.4 檁條強度計算

每組固定可調支架包括4根檁條，材質為Q235B，用于支撐組件，受力模型如圖7所示。

圖7 檁條受力模型

從圖7有限元分析結果中可以得到，檁條的最大位移產生在中間，數值為5.34 mm，小于9.4 mm(L/250)；最大應力為149.90 MPa，小于215 MPa，滿足強度要求。

3.5 主梁強度計算

每組固定可調支架包括1根主梁，材質為Q235B，用于支撐斜梁，受力模型如圖8所示。

從圖8有限元分析結果中可以得到，主梁的最大位移產生在中間，數值為7.01 mm，小于12 mm(L/250)；最大應力為190.02 MPa，小于215 MPa，滿足強度要求。

圖8 主梁受力模型

3.6 結論

根據GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》表2“受彎構件撓度容許值”的規定，主梁撓度容許值為L/250；材料Q235B對應的最大應力為215 MPa。經計算，本項目固定可調支架各主要部件都滿足設計要求，故支架滿足設計要求。

4 結束語

本文借助包頭某項目實際工況，運用有限元分析軟件對固定可調支架的主要構件主立柱、斜梁、檁條、主梁等進行了受力分析和強度計算，可以嚴格控制各零部件的規格尺寸和材質，確保在安全可靠的前提下實現成本最優。

[1]GB 50017-2003, 鋼結構設計規范[S].

[2]GB 50009-2012, 建筑結構荷載規范[S].