太阳能光伏支架受力特征有限元分析4100字
太阳能光伏支架受力特征有限元分析4100字 商洛地处秦岭南麓，东经108°34′20″～111°1′25″，北纬33°2′30″ ～34°24′40″，地形以山地为主[1]。为发展循环经济和生态经济，商洛市大 力发展光伏产业，规划到2020年总装机达到500 MW，年发电6亿度，节标煤20万 吨，减排CO2 45.8万吨[2-3]。陕西博泽商贸有限公司位于商洛市商丹工业园区， 为了扩大生产，服务地方发展，公司决定投资年产10 000 t钢结构生产线用于商 洛市光伏产业配套生产光伏支架。由于商洛地处山区，大多数光伏电站需要在山 坡上修建，支架的设计参数与平地上建造的光伏电站有所差异。本文利用数值模 拟软件，结合当地地形和气象条件，对博泽公司生产的三种不同型号支架承受荷 载后的应力特征和位移特征进行对比分析，为地处山区和具有类似气象条件的地 区设计光伏支架提供参考。1 数值计算模型 1.1 模型建立 博泽公司生产的光伏支架主梁和次梁均为卷边槽形冷弯型钢，主体结构原材 料为Q235钢。截面尺寸45×41 mm，底面冲孔，冲孔大小44×20 mm，冲孔间距26 mm，模型示意图如图1所示。由于山坡地形崎岖多变，且风速较大，支架次梁跨 度不宜过大，结合地表实际状况，取1 500 mm为适宜跨度。
以次梁为分析对象，取1.5、2 mm和2.5 mm三种截面厚度作为对比。材料种 类为Q235钢，模型类型为线性弹性各向同性，弹性模量为210 000 N·mm-2，泊 松比为0.28，抗剪模量79 000 N·mm－2，质量密度7 800 kg·m-3，张力强度399.83 N·mm－2，屈服强度220.59 N·mm－2，热膨胀系数43 W·(m·K)－1，比热440 J ·(kg·K)－1。次梁的数值计算模型如图2所示。
1.2 荷载计算 1.2.1固定荷载 支架次梁的固定荷载（Gk）主要来自支架自重和光伏板重量[4]。
支架自重：以主梁为节点将次梁分为若干段，取最右段为分析对象，即对象 左端固定于主梁上，右端100 mm处固定于主梁上，同时有100 mm悬臂，总长度1 600mm。
经计算，当支架截面厚度为1.5、2、2.5 mm时，支架自重分别为27、36、45 N。
光伏板重量：光伏板单板重量为152 N，每块光伏板的宽度为808 mm，即相 邻两个主梁间可以安装1.99块光伏板，总重量302.48 N。次梁为上下两根平行安 装，单根次梁承受的光伏板重量为151.24 N。
1.2.2风荷载 风载荷标准值Wk的表达式为[5]：
Wk = βz μs μz ω0 (1) 式中，βz—阵风系数；
μs —风荷载体型系数；
μz—风压高度变化系数；
ω0—基本风压。
商洛地区基本风压（n=50）为0.30 kN·m－2，地面粗糙度为B类[6]。由于 光伏电站在山坡上修建，考虑地形条件的修正，风压高度变化系数取2.02。阵风 系数1.00，风荷载体型系数取1.50。计算得风荷载取值为0.909 kN·m－2。一块 光伏板的面积为1.27 664 m2，单根次承受的风载荷（Wk1）为1.08 kN。
1.2.3雪荷载 风载荷标准值Sk的表达式为：
Sk = μr s0(2) 式中， μr—屋面积雪分布系数；
s0—基本雪压。
商洛地区基本雪压（n=50）为0.30 kN·m－2，积雪分布系数为0.52[7]。雪 载荷取值为0.156 kN·m－2，单根次梁承受的雪载荷（Sk1）为0.19 kN。
1.2.4荷载效应组合 支架在使用过程中可能同时出现风荷载和雪荷载，在进行支架内力分析时， 应按式(3)计算其荷载效应组合设计值[8]（S）。
S=1.2Gk+0.9×1.4×Wk1+0.9×1.4×Sk1(3) 计算得当支架截面厚度为1.5、2、2.5 mm时，次梁的所受的荷载分别为1.80、 1.81、1.82 kN。2 数值计算 2.1 应力特征 次梁安装时槽口向上，对支架最左端和距右端100 mm处的支撑面进行约束， 约束面大小为45×45 mm，对两个卷边的顶部施加向下的外部载荷。
当截面厚度为1.5 mm时，对支架施加1.80 kN的外部载荷，支架的应力分布 特征如图3所示。从图3可以看出，支架应力分布比较均匀，主要集中在35.90 N ·mm－2以下，最小应力0.03 N·mm-2，支撑部位附近应力相对较大，应力峰值 出现在左端支撑处，为143.49 N·mm－2。
当截面厚度为2 mm时，对支架施加1.81 kN的外部载荷，支架的应力分布特 征如图4所示。从图4可以看出，与1.5 mm截面时应力特征相比，同一部位的应力 有所减小，应力分布更加均匀，大多不超过26.30 N·mm－2，最小应力0.02 N ·mm－2，最大应力出现在两端支撑处，最大应力值为105.15 N·mm－2。
当截面厚度为2.5 mm时，对支架施加1.82 kN的外部载荷，支架的应力分布 特征如图5所示。从图5中可以看出，相比1.5 mm和2 mm截面时应力进一步减小， 主要分布在20.63 N·mm－2以下，最小应力0.02 N·mm－2，两端支撑处应力较 大，最大应力值为82.46 N·mm－2。
2.2 位移特征 截面厚度为1.5 mm时，支架的竖向位移云图如图6所示。从图6中可以看出， 支架的最大位移出现在跨中，最大位移为0.92 mm，位移量从中部向两端支撑处 递减。位移量大于0.60 mm的部分约占支架整体的30%，在0.30~0.60 mm的约占50%， 小于0.30 mm的约占20%。悬臂端有微小位移，约为0.08 mm。
截面厚度为2 mm时，支架的竖向位移云图如图7所示。从图7中可以看出，同 1.5 mm厚度相比，整体位移量明显减小，支架的最大位移同样出现在跨中，最大 位移为0.71 mm。位移量大于0.60 mm的部分约占支架整体的25%，在0.30~0.60 mm 的约占30%，小于0.30 mm的约占45%。悬臂端位移为0.06 mm。
截面厚度为2.5 mm时，支架的竖向位移云图如图8所示。从图8可以看出，同 1.5 mm和2 mm截面相比，整体位移量进一步减小，支架的最大位移出现在跨中，最大位移为0.58 mm。位移量在0.30~0.58 mm的约占支架整体的50%，小于0.30 mm 的约占50%。悬臂端位移为0.05 mm。
2.3 数值计算结果与分析 通过以上数值计算结果可以看出，随着截面厚度的增大，支架应力减小明显， 虽然厚度增大造成支架自重增加，但支架刚度的增加对支架应力分布影响更加显 著。三种厚度的峰值应力均小于材料的屈服强度（220.59 N·mm－2），厚度为 1.5 mm时的峰值应力比屈服强度小77.1 N·mm－2，厚度为2 mm时的峰值应力比 屈服强度小115.44 N·mm－2，厚度为2.5 mm时的峰值应力比屈服强度小138.13 N ·mm－2。竖向位移同样随截面厚度的增加而减小，厚度每增加0.5 mm，位移峰 值减小约0.20 mm，三种厚度的峰值位移均能满足设计限值。综合考虑产品使用 过程中可靠性、设计寿命和生产成本，截面厚度2 mm为最佳方案。通过应力分析 还可以看出，支撑部位应力较为集中，明显高于跨中部位，这是由于支撑部位受 到向上的约束，应力得不到释放所致。支架右端100 mm悬臂部分应力和位移都较 小，满足设计要求。
3 结论 在基本风压（n=50）为0.30 kN·m-2，基本雪压（n=50）为0.30 kN·m-2， 地形与商洛类似的山区修建光伏电站，当光伏支架材料为Q235钢，截面尺寸45 ×41 mm，次梁跨度为1 500 mm时，支架截面厚度宜设计为2 mm；
支架的应力和 竖向位移都随截面厚度的增加而显著减小，厚度每增加0.5 mm，位移峰值减小约 0.20 mm；
支架受支撑部位应力较为集中，明显高于跨中部位。支架右端100 mm 悬臂部分应力和位移都较小，满足设计要求。
[1] 孙丕苓,杨海娟.商洛市土地利用结构优化的情景分析[J].水土保持通 报,2012,32(2):200-205． [2] 李俊峰,王斯成.中国光伏发展报告[M].北京:中国环境科学出版 社,2011． [3] 楚冰清.基于移相制的电流型多重化光伏并网逆变器仿真[J].商洛学院 学报,2016,30(2):25-30.[4] 杨涛,范久臣,刘荣辉,等.基于有限元法的太阳能光伏支架结构设计与 优化[J].吉林化院学报,2016,33(3):40-44． [5] 陈源.光伏支架结构优化设计研究[J].电器,2013,32(17):76-80． [6] 吕宏伟,李新忠.太阳能光伏支架结构风载取值分析[J].西北水 电,2012(5):85-87． [7] 朱骏江.我国太阳能光伏支架安装存在的问题及解决办法[J].中国高新 技术产业,2015(22):91-93． [8] 张庆祝,刘志章,齐晓慧,等.太阳能光伏板风载的载荷分析[J].能源技 术,2010,31(2):93-95．