平單軸跟蹤器受力分析研究

董長安 慎小寶 計策 野召忠

摘要：以某光伏電站為例，通過對平單軸跟蹤器的受力狀態(tài)、受力工況及荷載取值進行詳細分析，確保在平單軸支架設計過程中充分考慮影響安全可靠性的各種因素;并對關鍵構件和節(jié)點逐一進行受力分析，意在讓設計人員充分了解平單軸跟蹤器的設計方法，提高平單軸跟蹤器的安全可靠性。

關鍵詞：平單軸跟蹤器;安全可靠性;風致共振

中國分類號：TU312 文獻標識碼：A

Abstract：Taking a photovoltaic power station as an example，this paper studies on the force analysis，the endure force status and the load calculation of single axis solar tracker，to ensure that various factors affecting safety and reliability are fully considered in the design process. The stress analysis of key components and nodes is also carried out in detail，so that engineers can fully comprehend the design principle and improve the safety and reliability of single axis solar tracker.

Key words：Single axis solar tracker;Safety and reliability;Wind-induced resonance

引言

平單軸跟蹤器通過天文算法跟蹤太陽方位角提高組件表面接受到的輻照量，從而提高光伏電站的發(fā)電量;在高緯度地區(qū)相比固定支架有明顯的發(fā)電量提高優(yōu)勢，因而得到了廣泛應用，平單軸跟蹤器屬于一種機械專業(yè)和結構專業(yè)相結合產生的光伏支架裝置，既要采用結構專業(yè)的設計思維，也要具備機械轉動的功能要求;因此對受力狀態(tài)和受力工況進行充分透徹的分析，對保證平單軸支架的安全穩(wěn)定運行起著非常重要的作用。

1受力狀態(tài)

平單軸跟蹤支架根據其工作特點，受力可分為兩種狀態(tài)

正向受力狀態(tài)：系統(tǒng)受電機驅動，系統(tǒng)受力來自電機驅動力，受風阻力、軸承處的摩擦力及系統(tǒng)自重產生的阻力等因素的影響，根據現場實際情況，平單軸支架在該狀態(tài)下均能正常運行，本文不作重點闡述。

反向受力狀態(tài)：系統(tǒng)受風荷載作用，系統(tǒng)電機起約束作用。根據現場實際情況，平單軸支架破壞多為該狀態(tài)，本文對該狀態(tài)重點進行分析。

2 受力工況

平單軸追蹤支架系統(tǒng)具有大風保護功能，在風荷載達到預設的保護風速時，系統(tǒng)自動將組件平面調整為水平狀態(tài)，以減小迎風面積，達到大風保護功能，故平單軸追蹤支架應按以下兩種工況進行設計。

工況一：組件與水平面呈45°狀態(tài)，系統(tǒng)按照預設的保護風速對應的風荷載核算構件強度及穩(wěn)定性。

工況二：組件與水面夾角小于10°，系統(tǒng)按項目地25年重現期的風荷載核算構件的強度及穩(wěn)定性。

3 風荷載取值

大風在通過障礙物時，當風速增大到一定程度，會在障礙物尾部形成渦流，渦脫時會對結構引發(fā)橫向激勵，激勵頻率取決于風速。當組件與水平面有一定的夾角，迎風時，尾流渦脫會引起豎向激勵，風的壓力引起水平向的推力，當豎向頻率與系統(tǒng)固有頻率一致時，產生共振現象。即使組件處于水平狀態(tài)，豎向激勵依然存在。

支架屬于對風敏感的結構體系，根據《荷載規(guī)范》8.4.2條，支架體系應考慮風壓脈動對結構產生的風振影響。風荷載標準值按《荷載規(guī)范》8.1.1條取用：

上式中，Wk為風荷載標準值（KN/m2），βz為高度Z處的風振系數，μs為風荷載體型系數，μz風壓高度變化系數，W0為基本風壓（KN/m2）。

以某項目為例，保護風速為12m/s，對應的基本風壓為0.09 KN/m2，25年重現期對應的基本風壓為0.26 KN/m2。

風壓高度變化系數：根據《荷載規(guī)范》8.2.1條，地面粗糙類別為B類，μz取1.0。

體型系數：根據《荷載規(guī)范》8.2.1條表8.3.1第29項，上部組件體型系數取1.4，下部組件體型系數取0.6。

風振系數：關于風振系數，《荷載規(guī)范》及《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》等相關規(guī)范均未給出明確的取值規(guī)定，支架結構類似民用建筑的屋蓋結構，其脈動風壓除了和風速脈動有關外，還與流動分離、再附、旋渦脫落等復雜流動現象有關，難以簡單采用風振系數方法。追蹤支架屬于對風荷載敏感的結構體系，且結構贅余度很低，為了考慮風振響應，建議按照《荷載規(guī)范》8.6.1條規(guī)定的維護結構的陣風系數考慮風振效應。當地面粗糙類別為B類高度5米處的風振系數取1.70。

根據以上取值及公式：

4 桿件受力分析

4.1 主軸抗扭計算

主軸截面為B120X3.0，扭矩用T表示，分項系數取1.4，主軸所受重力為對稱荷載，不會對主軸產生扭矩，扭矩主要為風荷載的體型系數不對稱產生。

T2> T1，按T2復核主梁強度及剛度。

根據材料力學，當分析等直矩形截面受扭桿件的應力及轉角時，直接引用彈性力學的結果，對于閉口薄壁截面桿件：

上式中，τmax為最大剪應力，ψ為單位長度最大扭轉角，A0為中線所圍面積，δmin為薄壁桿件的最小壁厚，G為切變模量，S為壁厚中線的全長。

某項目為例：A0=117x117=14400mm2，δmin=3mm，S=117x4=468mm，G=79X103N/mm2

上式計算的單位長度轉角單位為弧度，轉化為角度為：

主軸半邊長度16m總轉角為0.63x16=10°，對應的振幅如下圖：

由上圖可知，在主軸抗扭剛度不足的情況下，由于主軸長度較長，雖然結構仍然處于彈性變形階段，但主軸遠端的最大振幅可大74cm，且由于驅動臂的約束作用，結構會發(fā)生變形不協(xié)調等情況，容易在風荷載作用下產生共振現象，對于結構整體承受風荷載及組件變形都極為不利。因此，行業(yè)內較為常用的措施是增加阻尼器，約束主軸遠端的較大變形，但阻尼器的約束作用，取決于阻尼器的個體性能及與系統(tǒng)協(xié)同工作的整體性能，從某項目來看，阻尼器設置位置及連接方式等因素使阻尼器未能達到預期的工作效果。

4.2單排推拉臂受力分析

推拉臂為受彎構件，在工況二狀態(tài)下，推拉臂所受的彎矩為兩倍的T2，M=2T2=2×4.61=9.22 KN?m如圖：

推拉臂材質選用Q235級鋼材，

強度復核：

穩(wěn)定性復核：根據《鋼結構規(guī)范》4.2.4條

h/b=120/120=1.0<6，l/b=1650/120=13.75<95

符合上述條件的箱型截面簡支梁，可不計算整體穩(wěn)定性。

根據以上強度和穩(wěn)定性計算結果，力臂建議選擇

B140X140X3.0，WX=73.5cm3

B120X120X3.0，WX=53.42cm3

4.3回轉減速器受力分析

根據上述推拉臂的計算結果，回轉減速器的受力主要為推拉桿傳遞的推拉力產生的彎矩，詳見下圖：

F1=M2/L=10.68kN?M/1.65M=6.47kN

F=15F1=15×6.47=97kN

M=FL=97×1.65=160 kN?m

根據上述計算可知，回轉力臂在反向極限風荷載作用下，所承受的約束力矩很大，常規(guī)的薄壁材料無法滿足要求，必須采用可靠的材料及結構形式才能保證節(jié)點的彎矩傳遞能力。

5 結語

平單軸破壞的原因很大程度是因為共振和薄壁構件固結節(jié)點的基本假定無法保證，共振的根本原因是因為結構本身的剛度不足，容易產生較大的變形，當風荷載脈動頻率和結構固有頻率相近時產生低頻共振，導致結構體系的薄弱環(huán)節(jié)產生破壞。

建議在平單軸追蹤支架體系設計時從以下方面增加體系的可靠性：

1）增加主軸的抗扭剛度，減小斜梁的挑出長度，以達到減小振幅的目的。

2）增設減小振幅的構造措施，如阻尼減震器等，減震器的設置位置應能保證減震器有效可靠工作。

3）加強節(jié)點處的構造措施，保證固結節(jié)點的基本假定。

4）設置減小風速的措施，如在迎風面布或設置風屏障。或在總圖布置時選擇有利位置，避免遭遇極限風荷載。

參考文獻

[1]GB5009-2012，建筑結構荷載規(guī)范[S].

[2]周承軍 陳亮 陳創(chuàng)修 李科慶等. 平單軸光伏支架在大風保護狀態(tài)時的最佳傾角研究[J]. 太陽能，2019，012（007）：52-5