平單軸追日系統機械性能分析

黃光華 張健 吳行

摘 要：平單軸追日系統通過連桿機構實現多陣列聯動，在控制系統與驅動系統的配合作用下實現發電效率提升，其中驅動單元的主梁連接部位是關乎系統可靠性的核心部件，本研究結合有限元計算結果測試了預緊螺栓在特定扭矩下的防松效果，對主梁連接件的強度、變形以及各部件之間的相對位移進行了計算分析，結合計算結果論證追日支架的結構可靠性。同時依據研究結果提出了主梁連接防松的改進建議。

關鍵詞：追日系統；平單軸；有限元；支架強度；防松力矩

中圖分類號：S954.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0019-03

Abstract： The horizontal single axis tracking system realizes the multiarray linkage through the linkage mechanism. The power generation efficiency is realized by the coordination of the control system and the drive system. The connection part of the main beam of the driving unit is the core component of the system reliability. This study tests the pretightening bolt under the specific torque with the finite element calculation results. The strength and deformation of the connecting parts of the main beam and the relative displacement between the components are calculated and analyzed， and the structural reliability of the bracket is demonstrated by the calculation results. At the same time， based on the research results， suggestions for improvement of main girder connection and loosening prevention are put forward.

Keywords： solar tracker； horizontal single axis； finite element； stent strength； anti-loosing moment

引言

隨著國家對光伏產業扶植政策的收緊，光伏行業的競爭日趨白熱化。傳統固定式光伏電站的投資收益已經無法滿足市場需求，為了提升光伏產品競爭力以及投資回報率必須對光伏電站進行技術革新，追日型光伏電站作為目前替代傳統固定式電站最為可行的技術方案，將是未來光伏行業發展的主流方向。

追日型光伏電站常見的結構形式包括平單軸、斜單軸以及雙軸追日系統，其中平單軸追日系統具有土地利用率高，安裝便利等優勢，依據Pvsyst仿真計算結果，平單軸追日系統年發電效率相對于固定式光伏電站可提高10%以上，適宜結合農光互補政策大面積推廣。關鍵的技術難點是多陣列聯動過程中主梁的扭轉強度問題以及主梁連接件的防松問題。

然而，已有光伏追日支架的研究大多針對支架的靜態強度，對于追日支架在運動過程中的扭轉強度以及防松問題研究較少。本研究結合仿真計算結果，對試驗電站主梁連接位置抗扭轉能力進行實測，結合結果改進了主梁連接方式，顯著提升主梁防松能力以及安裝效率。

1 平單軸追日系統簡介

如圖1所示，平單軸追日系統包含組件、支架、太陽能跟蹤控制器、驅動系統以及逆變器等結構。其中太陽能跟蹤控制器以及驅動機構是確保追日系統發電效率的關鍵部件，驅動系統常用結構為電機與減速機相組合，太陽能跟蹤控制器則包含2種控制模式以提升追日系統對天氣的應變能力。

理論上當太陽入射光線與組件垂直時，組件對太陽能的接收效率最高，為了實現組件與太陽之間始終呈現最佳接收角度，追日系統需在控制系統以及驅動機構的聯合作用下實現角度實時變化。

太陽能跟蹤控制器作用模式根據跟蹤原理的不同可分為太陽運動軌跡跟蹤（時控）以及光電式跟蹤（光控），成熟控制系統通過兩種太陽跟蹤方法相結合的方式來提升追蹤精度，當出現陰天等光照條件較弱的天氣時切換為時控，光照條件好時自動切換為光控。夜晚在限位開關的配合作用下實現歸位，同時還可以與風速儀以及越深儀配合使用，實現在大風模式下自動調平。

2 理論分析

追日支架相對于傳統固定式支架需要承受驅動機構施加的動載，在陣風作用下需考慮陣列之間的相互作用，整體剛度要求較高。為了確保支架的安全性必須對最終支架在組合環境載荷作用下的應力分布以及變形撓度進行計算。

2.1 雪載荷受力分析

上式（1）中S為積雪荷重，Cs為坡度系數，P為雪的平均單位質量（相當于積雪1cm的質量，面積為1m2的質量）一般的地方19.6N以上，多雪區域為29.4N以上。Zs為地上垂直最深積雪量（cm），As為積雪面積。太陽能電池陣列列面的設計用積雪量設定為地上垂直最深的積雪量（Zs），但是，經常掃雪而積雪量減少的場合，根據狀況可以減少Zs值。其中坡度系數如表1所示。

2.2 風速載荷受力分析

本文設計的光伏組件支架校核在十級風（27m/s）的風速下強度、撓度是否滿足要求。

2.2.1 正應力校核

2.2.2 對撓度進行校核

式中l0為梁的計算跨度；S為與荷載形式、支承情況有關，對均布荷載作用的簡支梁S=5/384；E為彈性模量；M為跨中最大彎矩；EI為截面抗彎剛度。縱向計算同上。

3 有限元仿真分析

3.1 計算模型

當追日系統旋轉到極限傾角45°時所承受的風載最大，如圖2所示，對單組件分段施加風載、雪載以及重力載荷作用，計算各部件在25年一遇環境載荷作用下的應力應變分布以及最大變形。

3.2 計算結果

如圖3（a）所示，主梁支架結構整體滿足強度要求，但是橫梁固定件在25年一遇大風模式（10級）下會發生塑性變形，后續將逐步改進為內部加筋結構。

主梁以及橫梁變形撓度符合規范要求，如圖4（b）所示其中橫梁固定件與主梁之間的最大相對滑動位移為0.2mm，滿足安全使用要求。

3.3 試驗驗證

由于單根主梁長度有限，同時大長度主梁變形撓度難以滿足工程使用要求，必須將主梁設計為特定長度，同時結合計算結果采取合適的連接方式進行連接緊固。

其中常用的連接方式有抱箍連接以及采用過渡件加螺栓對穿連接兩種方式，如圖5所示，采用過渡件對穿連接時必須保證螺栓的預緊扭矩達到特定值才能滿足防松要求。

本設計選用M14-10.9級螺栓進行對穿連接，為了防止主梁在扭轉時發生松動，螺栓的預緊扭矩需大于200Nm，此時主梁的局部孔位最大應力為185MPa，可以滿足強度要求。

為了驗證計算結果的準確性，設計圖6所示的扭轉試驗，對主梁施加10級大風模式作用下的等效扭矩，然后測試螺母的預緊扭矩。

對主梁施加6550Nm扭矩24小時后，通過測量試驗前后螺栓的預緊扭矩是否發生變化來判定主梁是否發生松動。如圖7所示，測試前后螺母扭矩實測值為200Nm±1.2Nm，因此判定對對穿螺栓施加200Nm預緊扭矩時可以滿足防松要求。

4 結束語

（1）追日支架的主要設計難點為主梁的過渡連接以及防松設計，采用本設計的對穿螺栓連接方式時必須對螺栓施加大于200Nm的預緊扭矩，否者無法滿足防松要求。

（2）橫梁過渡件的設計無法滿足強度要求，兩側腹板過于單薄，容易張開，通過改進為內部加筋的結構可以解決該問題。

（3）風載在追日支架的結構設計中為主要考慮因素，

需結合使用環境綜合計算順風以及逆風模式下的支架強度。

參考文獻：

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