50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)荷載分析及仿真研究

楊雯慧 孫興漢 劉洋 張國(guó)勇 段楊龍

摘要：目前工程應(yīng)用的定日鏡普遍存在支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度低、維護(hù)困難、制作成本高等問(wèn)題，這使得太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本高，降低了其競(jìng)爭(zhēng)力。針對(duì)50 m2定日鏡在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，深入開(kāi)展了其支撐結(jié)構(gòu)在抗風(fēng)載、抗雪載下的受力分析。仿真計(jì)算結(jié)果表明：50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)具有更高的承載能力和穩(wěn)定性，有效提升了定日鏡的整體性能。基于受力分析結(jié)果提出了支撐結(jié)構(gòu)組件材料選型建議。研究成果不僅為定日鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也為太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：定日鏡； 支撐結(jié)構(gòu)； 風(fēng)載； 雪載； 太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

中圖法分類(lèi)號(hào)： TM615.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.041

0引 言

定日鏡作為太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，其性能影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性［1］。支撐結(jié)構(gòu)作為定日鏡的載體，不僅承受著風(fēng)載、雪載等自然力的作用，還直接影響著定日鏡的跟蹤精度和穩(wěn)定性。然而，目前工程應(yīng)用中普遍存在支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度低、維護(hù)困難、制作成本高等問(wèn)題，這使得太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本高，降低了其競(jìng)爭(zhēng)力。設(shè)計(jì)不合理的支撐結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致定日鏡在強(qiáng)風(fēng)或大雪天氣下發(fā)生變形或破壞，進(jìn)而影響到整個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行［2］。因此，對(duì)定日鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升其承載能力和穩(wěn)定性，具有重要的工程實(shí)踐意義。

本文旨在基于受力分析，對(duì)50 m2定日鏡的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)載及抗雪載的分析計(jì)算及仿真研究，以期為定日鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，推動(dòng)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1抗風(fēng)載受力分析

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，定日鏡面臨著復(fù)雜多變的工況條件，包括在不同風(fēng)速下定日鏡面向太陽(yáng)不同角度時(shí)的風(fēng)載作用，積雪和融雪過(guò)程中的雪載影響［3］。這些工況參數(shù)直接影響著定日鏡支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和關(guān)鍵組件的選型與性能。

1.1工況參數(shù)

50 m2定日鏡鏡面由12塊子鏡組成，單面子鏡尺寸為2 277 mm×1 830 mm（長(zhǎng)×寬），如圖1所示。支撐結(jié)構(gòu)主要由通梁、桁架梁、檁條、立柱組成。雙軸驅(qū)動(dòng)組件包括回轉(zhuǎn)減速機(jī)及電動(dòng)推桿，回轉(zhuǎn)減速機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)定日鏡水平方位角，電動(dòng)推桿負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)定日鏡俯仰高度角，兩者配合驅(qū)動(dòng)定日鏡追逐太陽(yáng)［4］，如圖2所示?；撅L(fēng)壓為202.5 N/m2（18 m/s），桁架梁為4條，定日鏡狀態(tài)為零位狀態(tài)（鏡面與水平方向垂直），子鏡為4 mm超白浮法玻璃，密度3 000 kg/m3。

1.2標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓計(jì)算

50 m2定日鏡的通梁作為一種連續(xù)性的支撐結(jié)構(gòu)，能夠有效分散并承受來(lái)自定日鏡的各種載荷，包括風(fēng)載、雪載以及自重等。其連續(xù)性的特點(diǎn)使得整個(gè)結(jié)構(gòu)在受力時(shí)能夠保持較好的整體性和穩(wěn)定性，減少了因局部受力不均而導(dǎo)致的變形或破壞［5］。

桁架梁共4條，與通梁通過(guò)連接板連接，如圖3所示。桁架梁與通梁的搭接能夠形成一個(gè)更加穩(wěn)定、堅(jiān)固的整體結(jié)構(gòu)，可有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗雪等能力。

目前市面上定型的定日鏡支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)尚無(wú)規(guī)范可供參考，依據(jù)光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程，計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按照式（1）計(jì)算：

ωk=βzμsμzω0（1）

式中：ωk是風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz是高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs是風(fēng)荷載整體體型系數(shù)；μz是風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓。

風(fēng)壓高度變化系數(shù)及風(fēng)荷載整體體型系數(shù)可在GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中查詢［6］。當(dāng)風(fēng)振系數(shù)βz取1.2時(shí)，正風(fēng)壓μz取1.3，負(fù)風(fēng)壓μz取-1.6。由于50 m2定日鏡在90°工作狀態(tài)下鏡面最高點(diǎn)距離立柱底面距離約7.5 m，故風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取1.0。

將參數(shù)代入可得：

正風(fēng)壓時(shí)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓為315.9 N/m2，

風(fēng)載荷為15 795 N；

負(fù)風(fēng)壓時(shí)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓（負(fù)風(fēng)壓）為388.8 N/m2，

風(fēng)載荷為19 440 N。

1.3正風(fēng)壓計(jì)算仿真

基于上述支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，模型如圖4所示。4條桁架約均分通梁長(zhǎng)度，即L1=L2=L3=2 m。均分桁架間距能夠確保通梁受力均勻。當(dāng)桁架均勻分布時(shí)，通梁上的受力點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)地均勻分布，從而避免了因局部受力不均而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形或破壞。這種均勻的受力分布也有助于提高通梁的整體穩(wěn)定性和承載能力。

每段受力計(jì)算如式（2）所示：

q1=q2=q3=F1/（L1+L2+L3）（2）

式中：F1是風(fēng)荷載（正風(fēng)壓）。計(jì)算得到F1=15 795 N，得每段受力大小2 632.5 N/m。

針對(duì)50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)，過(guò)大的彎矩可能會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效［7］。因此，通過(guò)計(jì)算彎矩可以評(píng)估支撐結(jié)構(gòu)在承受各種載荷作用下的安全性，確保結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生破壞。由于在建立定日鏡支撐結(jié)構(gòu)模型時(shí)呈現(xiàn)均布載荷，最大彎矩通常出現(xiàn)在通梁的中點(diǎn)位置。彎矩可通過(guò)式（3）～（4）計(jì)算：

MA=－［2q1L31（L2+L3）+q2L32（L2+2L3）］16［L1（L2+L3）+L2（L3+34L2）］

+q3L33L216［L1（L2+L3）+L2（L3+34L2）］（3）

MB=－［q2L32+q3L33+4MAL2］8×（L2+L3）（4）

代入?yún)?shù)，計(jì)算得A點(diǎn)所受彎矩為-1 053 N·m；B點(diǎn)所受彎矩為-1 053 N·m

對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析后，通過(guò)式（5）～（8）可計(jì)算各點(diǎn)所受反支撐力：

FO=q1L312+MAL1（5）

FA=q1L12+q2L22－MAL1－MA－MBL2（6）

FB=q2L22+q3L32－MBL1－MB－MAL2（7）

FC=q3L332+MBL3（8）

通過(guò)參數(shù)代入計(jì)算，可得O點(diǎn)所受反力為2 106 N；A點(diǎn)所受反力為5 791.5 N；B點(diǎn)所受反力為5 791.5 N；C點(diǎn)所受反力為2 106.0 N。

結(jié)合上述參數(shù)計(jì)算結(jié)果，基于有限元分析軟件分別對(duì)支點(diǎn)A、支點(diǎn)B、兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）、通梁進(jìn)行受力仿真，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

仿真結(jié)果顯示：中間桁架梁（支點(diǎn)A、支點(diǎn)B）最大應(yīng)力為236.387 MPa，最大位移為2.93 mm。

兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）最大應(yīng)力為91 MPa，最大位移為2.16 mm。

橫梁最大應(yīng)力為148 MPa，Y方向位移約15.66 mm。

1.4負(fù)風(fēng)壓計(jì)算仿真

在計(jì)算負(fù)風(fēng)壓時(shí)，基于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載（負(fù)風(fēng)壓），通過(guò)式（2）～（4）可計(jì)算出支撐結(jié)構(gòu)承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)的彎矩大小，通過(guò)式（5）～（7）可計(jì)算出支撐結(jié)構(gòu)所受反力。計(jì)算結(jié)果如表1所列。

結(jié)合上述參數(shù)計(jì)算結(jié)果，基于有限元分析軟件分別對(duì)支點(diǎn)A、支點(diǎn)B、兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）、通梁進(jìn)行受力仿真，仿真結(jié)果如圖8～10所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知：中間桁架梁（支點(diǎn)A、支點(diǎn)B）最大應(yīng)力為290.9 MPa，最大位移為3.37 mm。

兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）最大應(yīng)力為111.8 MPa，最大位移為2.22 mm。

通梁最大應(yīng)力為377.38 MPa，Y方向位移約24.51 mm。

綜合正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓時(shí)仿真結(jié)果可知，中間桁架梁（支點(diǎn)A、支點(diǎn)B）最大應(yīng)力為290.9 MPa，最大位移為3.37 mm；兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）最大應(yīng)力為111.8 MPa，最大位移為2.22 mm；通梁最大應(yīng)力為377.38 MPa，Y方向位移約24.51 mm。

2抗雪載受力分析

雪載作為一種外部載荷，對(duì)定日鏡的結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)產(chǎn)生壓力。當(dāng)定日鏡表面積雪時(shí)，積雪的重量會(huì)對(duì)鏡面和支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力。如果定日鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足以承受這些作用力，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、損壞甚至坍塌，進(jìn)而影響整個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。進(jìn)行抗雪載計(jì)算是確保定日鏡在雪天條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵步驟。

基于50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)，計(jì)算參數(shù)中加入50 a雪壓值（150 N/m2），總雪壓載荷為

F1=150×50=7500N（9）

總載荷為

F=F1+F2+F3（10）

式中：F為總載荷；F1為雪壓；F2為檁條重力；F3為定日鏡重力，代入?yún)?shù)得F=15 147.5 N。

同理，基于上節(jié)中所述模型及公式分別計(jì)算支撐結(jié)構(gòu)的彎矩、所受反力，所得參數(shù)如表2所列。

基于上述計(jì)算參數(shù)，分別對(duì)中間桁架梁（支點(diǎn)A、支點(diǎn)B）、兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）、通梁通過(guò)有限元分析軟件進(jìn)行受力仿真，結(jié)果如圖11～13所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知：中間桁架梁（支點(diǎn)A、支點(diǎn)B）最大應(yīng)力為270.9 MPa；最大位移為2.85 mm。

兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）最大應(yīng)力為111 MPa；最大位移為1.16 mm。

橫梁最大應(yīng)力為104.9 MPa，最大位移4.79 mm。

在分析計(jì)算過(guò)程中，雪壓工況下立柱主要考慮其承受垂直方向的正壓力，而在垂直方向變形位移影響非常小，在此不考慮。

通過(guò)仿真，得知中間桁架梁（支點(diǎn)A、支點(diǎn)B）最大應(yīng)力為270.9 MPa，兩側(cè)桁架梁（支點(diǎn)O、支點(diǎn)C）最大應(yīng)力為111 MPa；通梁最大應(yīng)力為104.9 MPa；最大位移約5.95 mm。

3結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)50 m2定日鏡在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，深入開(kāi)展了其支撐結(jié)構(gòu)在抗風(fēng)載、抗雪載下的受力分析。通過(guò)仿真計(jì)算，得到了定日鏡支撐結(jié)構(gòu)在風(fēng)載和雪載作用下的應(yīng)力分布和位移情況，結(jié)果表明，該支撐結(jié)構(gòu)在承受自然力作用下表現(xiàn)出較高的承載能力和穩(wěn)定性，能夠滿足實(shí)際運(yùn)行的要求。此外，基于受力分析結(jié)果，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)組件材料的選型提出如下建議：

橫梁和立柱材質(zhì)建議使用Q295，其屈服強(qiáng)度≥295 MPa，抗拉強(qiáng)度390～570 MPa；桁架材質(zhì)建議使用Q460，其屈服強(qiáng)度≥460 MPa，抗拉強(qiáng)度550～720 MPa；檁條材質(zhì)建議使用Q295。

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（編輯：胡旭東）