基于有限元的光伏支架風(fēng)荷載的確定及強度分析

陳偉 陸元明 章正暘 張濤 張建偉 江繼波 楊路培 張大千

摘 要：我國《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》針對太陽能光伏支架的風(fēng)荷載計算，規(guī)定體型系數(shù)為1.3，未考慮光伏組件傾角和風(fēng)向角的影響，且大于美國、歐洲和日本的規(guī)范。以沈陽地區(qū)為例，提出確定光伏組件的最佳傾角的方法，利用有限元ANSYS軟件，基于CFD方法，計算出最佳傾角下不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載，據(jù)此開展流固耦合條件下光伏組件支架的強度分析。結(jié)果表明：對于0°和180°風(fēng)向 角，按規(guī)范計算，支架應(yīng)力和位移都比按CFD方法的風(fēng)荷載計算的數(shù)值大；對于45°和135°風(fēng)向角，按CFD方法的風(fēng)荷載計算的應(yīng)力和位移相差較大，其中45°風(fēng)向角的結(jié)果較小，而135°風(fēng)向角算出的應(yīng)力和位移較大，甚至超出了按規(guī)范計算的結(jié)果。由此提出精確地分析光伏支架的風(fēng)荷載及強度的方法。

關(guān)鍵詞：光伏支架；風(fēng)荷載；強度分析；有限元

文獻標(biāo)識碼：A

Wind load determination and strength analysis of photovoltaic

bracket based on finite element method

Chen Wei1 Lu Yuanming1 Zhang Zhengyang1 Zhang Tao1 Zhang Jianwei1 JiangJibo1 Yang Lupei2 Zhang Daqian3*

1.Shanghai Electric Power New Energy Development co. LTD Shanghai 200010；

2.Nanjing Hite Electric Power Technology co. LTD JiangsuNanjing 211106；

3.College of Aerospace Engineering ，Shenyang Aerospace University LiaoningShenyang 110136

Abstract： Aiming at wind load calculation for the photovoltaic module bracket， China stipulates the provisions of shape coefficient is 1.3 in Specification for Design of Solar Photovoltaic Power Station， not considering the influence of tilt Angle of photovoltaic components and wind direction Angle， and it is more than the standard of United States， Europe and Japan. In Shenyang area， for example， we put forward the method of determining the optimum tilt angle of the photovoltaic modules， using the finite element software ANSYS， based on CFD method， to calculatethe wind load in different wind direction angle of optimum tilt angle， and to carry out accordingly strength analysis of photovoltaic module brackets under the condition of fluidsolid coupling. Results show that for 0°and180°wind direction， the stress and displacement of the wind load calculated by the code are larger than those calculated by the CFD method. For45°and135°wind direction， the stress and displacement of the wind load calculated by the CFD method are quite different. The results of the 45°wind direction are smaller， while the 135°wind direction is so large that exceed the calculated results according to the code. So we put forword the pricise method of wind load caculation and strength analysis of photovoltaic bracket based on finite element method.

Keywords：photovoltaic module bracket； wind load； strength analysis； finite element method

在光伏發(fā)電站的設(shè)計中，光伏組件單元所受風(fēng)荷載的確定直接影響到支架與基礎(chǔ)的安全性。我國《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[1]中，對于不同安裝形式的光伏電站，目前沒有較成熟的風(fēng)荷載取值方法，僅針對太陽能光伏支架的風(fēng)荷載，規(guī)定其體型系數(shù)為1.3，大于美國、歐洲和日本的規(guī)范，且該值并未考慮光伏支架的底部地面或者屋面、安裝角度以及光伏支架之間的相互影響，設(shè)計上存在一定的不足，直接導(dǎo)致經(jīng)濟上的浪費。

為準(zhǔn)確得到光伏組件的風(fēng)荷載，西安理工大學(xué)的高亮，竇珍珍[2]等人，通過風(fēng)洞試驗，研究了光伏組件傾角、高度、間距及方陣中的位置等因素對風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響規(guī)律，馬文勇[3]在風(fēng)洞試驗的基礎(chǔ)上提出了風(fēng)載荷的取值模型，張愛社[4]提出了風(fēng)荷載的分離渦數(shù)值模擬方法，阮輝[5]采用美國德州理工大學(xué)的建筑模型分析了風(fēng)荷載，張雙燕[6]、黃張裕[7]也分別從風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬的角度研究了風(fēng)載荷的體型系數(shù)。值得注意的是，以上研究并未涉及風(fēng)載荷的不同取值對光伏組件支架強度的影響。

本文從工程實際出發(fā)，以沈陽地區(qū)為例，利用有限元ANSYS軟件，基于CFD方法，計算出最佳傾角下不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載，經(jīng)驗證后，對得到的風(fēng)荷載開展光伏組件單元的強度分析，并與現(xiàn)有規(guī)范得到的計算結(jié)果對比，提出設(shè)計光伏電站時應(yīng)注意的問題，為最優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 基于CFD的光伏組件單元風(fēng)荷載的確定

利用ANSYS軟件workbench平臺，對固定于地面的光伏組件單元（如圖1所示），在不同風(fēng)向角（0°，45°，90°，135°，180°）下的風(fēng)場進行模擬，得出多工況下的光伏組件單元的風(fēng)壓分布，從而確定風(fēng)載荷。以沈陽地區(qū)為例，取最佳傾角β=36.5°

（1）控制方程。

某光伏支架高度為兩米，考慮到光伏電池板傾角，整個光伏組件單元的最大高度小于5米，該高度下涉及到的是空氣的低速流動，近地面空氣的馬赫數(shù)較小，可看做不可壓縮流體，其基本控制方程為時均形式的連續(xù)方程和動量方程：

（2）計算域及網(wǎng)格劃分。

在流體的模擬計算中，阻塞率直接數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，F(xiàn) Baetke提出[8]：風(fēng)洞計算中的物體阻塞率不大于3%，本文光伏支架在36.5°傾角下，實際尺寸為10m（長）×4m（寬）×3m（高）。取流體域為50m×100m×30m，阻塞率足以滿足模擬計算要求。采用Catia軟件構(gòu)建固體區(qū)域模型，基于Workbench平臺對網(wǎng)格進行劃分，并導(dǎo)入Fluent模塊進行求解。

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格中的流固耦合界面及其附近采用加密網(wǎng)格，往外網(wǎng)格逐漸增大（如圖2所示），劃分網(wǎng)格數(shù)量為205800。

（3）邊界條件及湍流特性。

選擇入口邊界類型為volocityinlet，采用平均風(fēng)速剖面模擬10級狂風(fēng)的作用。按照中國建筑規(guī)范[9]平均風(fēng)速Vz=V10（z/10）α，其中α為空曠平坦地區(qū)地面粗糙度指數(shù)，模擬B類風(fēng)場取為0.15，V10取25m/s。來流湍流系數(shù)可以通過直接給定的湍流動能k和湍流耗散率ε值的方式給出[10]：

其中湍流強度Iz和湍流積分尺度l參考日本規(guī)范。

由于出口處的速度和壓力未知，故采用完全發(fā)展出流條件，即假設(shè)在出口方向除了壓力以外，其他的流動變量和梯度為0，計算域頂部和兩側(cè)采用等價黏性流動中的無滑移壁面，對于耦合界面和地面采用無滑移的壁面條件。

RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)的流動，在鈍體繞流的模擬中，RNG模型精度更高[11]，因此本文采用RNG模型進行湍流模擬。

對流場動能、湍流動能和湍流耗散率采用二階迎風(fēng)離散格式，對于速度壓力的耦合算法采用SIMPLEC算法。殘差收斂值采用默認的1.0e3，通過表面風(fēng)壓不再改變，來判斷流場進入穩(wěn)態(tài)。

（4）計算結(jié)果。

通過對不同風(fēng)向角（0°，45°，90°，135°，180°）的風(fēng)場進行模擬計算，得到光伏組件單元的風(fēng)壓分布（如圖3圖7，僅示正面）。

從圖中可知，5種風(fēng)向角下風(fēng)壓的分布各不相同，但折算成體型系數(shù)后，與文獻[7]相對應(yīng)工況的結(jié)果有基本一致，說明利用有限元ANSYS軟件進行光伏組件單元風(fēng)壓的數(shù)值模擬是可行的。

《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的體型系數(shù)是針對風(fēng)向角為0°和180°給出的，用計算得到的均勻風(fēng)荷載代替隨光伏板面位置變化的風(fēng)壓，優(yōu)點是簡化了計算，但與實際板面的受力情況有較大的出入。

基于流固耦合的理論，將計算得到的不同風(fēng)向角下的風(fēng)荷載施加到光伏組件單元上，分析計算支架在不同風(fēng)荷載工況下的等效應(yīng)力、位移情況，開展結(jié)構(gòu)強度分析，并與參照《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》計算得到的結(jié)果對比。

2 不同風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)強度分析

2.1 有限元模型及邊界條件

首先建立光伏組件單元的幾何模型并劃分網(wǎng)格，光伏支架采用梁單元（beam188），光伏電池板采用殼單元（shell181），支架的下端采用固定端約束，分別施加不同風(fēng)向角下的風(fēng)荷載，有限元模型含5433個節(jié)點，4353個殼單元，5160個梁單元（如圖8所示）

2.2 計算結(jié)果及分析

由于90°風(fēng)向角產(chǎn)生的風(fēng)荷載很小，故忽略該工況光伏組件單元的強度分析。

（1）0°風(fēng)向角下的計算結(jié)果。圖9為按規(guī)范計算得到的支架等效應(yīng)力云圖，圖10為在算得的風(fēng)荷載作用下支架的等效應(yīng)力云圖。

可以看出，在0°風(fēng)向角下，兩種情況的應(yīng)力分布并不相同，規(guī)范算出的應(yīng)力普遍偏大，規(guī)范結(jié)果的大應(yīng)力區(qū)域位于支柱下端，模擬風(fēng)荷載結(jié)果的大應(yīng)力區(qū)域位于支柱上橫梁下端，規(guī)范結(jié)果的最大應(yīng)力為116.8Mpa，位于支柱根部，模擬風(fēng)荷載結(jié)果的最大應(yīng)力為78.0Mpa，位于支柱上部。規(guī)范結(jié)果的最大位移為16.9mm，模擬風(fēng)荷載結(jié)果的最大位移為6.1 mm。

（2）180°風(fēng)向角下的計算結(jié)果。圖11為按規(guī)范計算得到的支架等效應(yīng)力云圖，圖12為在算得的風(fēng)荷載作用下支架的等效應(yīng)力云圖。

可以看出，在180°風(fēng)向角下，兩種情況的應(yīng)力分布大體相同，大應(yīng)力區(qū)域均位于支柱下端，規(guī)范算出的應(yīng)力普遍偏大，規(guī)范結(jié)果的最大應(yīng)力為116.6Mpa，模擬風(fēng)荷載結(jié)果的最大應(yīng)力為78.8Mpa，均位于支柱根部。規(guī)范結(jié)果的最大位移為16.8mm，模擬風(fēng)荷載結(jié)果的最大位移為13.4 mm。

（3）45°及135°風(fēng)向角下的計算結(jié)果。圖1314分別為45°及135°風(fēng)向角下按模擬風(fēng)荷載計算得到的支架等效應(yīng)力。

可以看出，在45°風(fēng)向角下的應(yīng)力分布與風(fēng)荷載計算的0°角的應(yīng)力分布大體相同，大應(yīng)力區(qū)域位于支柱上橫梁下端，最大應(yīng)力為73.6Mpa，位于支柱上橫梁中部，最大位移為4.9 mm；在135°風(fēng)向角下的應(yīng)力分布與規(guī)范計算的應(yīng)力分布大體相同，大應(yīng)力區(qū)域位于支柱下端，最大應(yīng)力為123.6Mpa，位于支柱根部，最大位移為19.3 mm。

2.3 結(jié)果分析

顯然，對于0°和180°風(fēng)向角，按規(guī)范計算，應(yīng)力和位移都較風(fēng)荷載計算的數(shù)值大，說明按規(guī)范設(shè)計較為保守，應(yīng)適當(dāng)修正規(guī)范內(nèi)容；對于45°和135°風(fēng)向角，風(fēng)荷載計算的應(yīng)力和位移相差較大，其中45°風(fēng)向角的結(jié)果較小，而135°風(fēng)向角算出的應(yīng)力和位移甚至超出了按規(guī)范計算的結(jié)果，說明風(fēng)向角對強度分析的影響很大，規(guī)范中應(yīng)增加更多的針對不同風(fēng)向角的體型系數(shù)要求。

3 結(jié)論

通過前述分析，得到如下結(jié)論：

（1）目前采用的光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范在計算風(fēng)荷載時僅規(guī)定了0°和180°的風(fēng)向角，且體型系數(shù)取為1.3，相對保守，且未考慮風(fēng)荷載相對較大的45°， 135°風(fēng)向角的情況，有待完善。

（2）為精確地分析光伏支架單元的強度，應(yīng)當(dāng)在多種工況下，利用有限元軟件，通過計算流體力學(xué)的方法，在正確分析計算風(fēng)載荷的前提下進行。

（3）可以在光伏發(fā)電站的設(shè)計階段，根據(jù)正確分析風(fēng)荷載后的仿真結(jié)果，修改支架的結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格和尺寸，在保證質(zhì)量的前提下降低成本。

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基金項目：遼寧省教育廳科學(xué)研究項目（L2011029）

作者簡介：陳偉（1978），男，江蘇徐州人，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化方向研究。

*通訊作者：張大千（1965），男，吉林松原人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事機械結(jié)構(gòu)的強度分析工作。