太陽能光伏支架受力特征有限元分析

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1、太陽能光伏支架受力特征有限元分析商洛地處秦嶺南麓，東經(jīng)108°34'20”?111了25"，北緯33°2'30"?34°24'40",地形以山地為主［1］。為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)，商洛市大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，規(guī)劃到2020年總裝機(jī)達(dá)到500MW,年發(fā)電6億度，節(jié)標(biāo)煤20萬噸，減排CO245.8萬噸［2-3］。陜丙博澤商貿(mào)有限公司位于商洛市商丹工業(yè)園區(qū)，為了擴(kuò)大生產(chǎn)，服務(wù)地方發(fā)展，公司決定投資年產(chǎn)10000t鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線用于商洛市光伏產(chǎn)業(yè)配套生產(chǎn)光伏支架。由于商洛地處山區(qū)，大多數(shù)光伏電站需要在山坡上修建，支架的設(shè)計(jì)參數(shù)與平地上建造的光伏電站有所差異。本文利用

2、數(shù)值模擬軟件，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦魏蜌庀髼l件，對(duì)博澤公司生產(chǎn)的三種不同型號(hào)支架承受荷載后的應(yīng)力特征和位移特征進(jìn)行對(duì)比分析，為地處山區(qū)和具有類似氣象條件的地區(qū)設(shè)計(jì)光伏支架提供參考。1數(shù)值計(jì)算模型1.1模型建立博澤公司生產(chǎn)的光伏支架主梁和次梁均為卷邊槽形冷彎型鋼，主體結(jié)構(gòu)原材料為Q235鋼。截面尺寸45x41mm,底面沖孔，沖孔大小44x20mm，沖孔間距26mm，模型示意圖如圖1所示。由于山坡地形崎嶇多變，且風(fēng)速較大，支架次梁跨度不宜過大，結(jié)合地表實(shí)際狀況，取1500mm為適宜跨度。以次梁為分析對(duì)象，取1.5、2mm和2.5mm三種截面厚度作為對(duì)比。材料種類為Q2

3、35鋼，模型類型為線性彈性各向同性，彈性模量為210000Nmm-2,泊松比為0.28，抗剪模量79000N-mm-2,質(zhì)量密度7800kg，m-3,張力強(qiáng)度399.83hLmm—2,屈服強(qiáng)度220.59N-mm-2,熱膨脹系數(shù)43W.(m.K)—1，比熱440J.(kgK)—1。次梁的數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。1.2荷載計(jì)算1.2.1固定荷載支架次梁的固定荷載(Gk)主要來自支架自重和光伏板重量［4］。支架自重：以主梁為節(jié)點(diǎn)將次梁分為若干段，取最右段為分析對(duì)象，即對(duì)象左端固定于主梁上，右端100mm處固定于主梁上，同時(shí)有100mm懸臂，總長(zhǎng)度1600mm

4、。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)支架截面厚度為1.5、2、2.5mm時(shí)，支架自重分別為27、36、45N。光伏板重量：光伏板單板重量為152N，每塊光伏板的寬度為808mm,即相鄰兩個(gè)主梁間可以安裝1.99塊光伏板，總重量302.48N。次梁為上下兩根平行安裝，單根次梁承受的光伏板重量為151.24N。1.2.2風(fēng)荷載風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值Wk的表達(dá)式為［5］:Wk=pzps

5、jzcoO(1)式中，pz一陣風(fēng)系數(shù)；ps一風(fēng)荷載體型系數(shù)；pz一風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ojO—基本風(fēng)壓。商洛地區(qū)基本風(fēng)壓(n=50)為0.30kN.m—2，地面粗糙度為巳類［6］。由于光伏電站在山坡上修建，考慮地

6、形條件的修正，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取2.02。陣風(fēng)系數(shù)1.00,風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.50。計(jì)算得風(fēng)荷載取值為0.909kN、m—2。一塊光伏板的面積為1.27664m2,單根次承受的風(fēng)載荷(Wk1)為1.08kN。1.2.3雪荷載風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值Sk的表達(dá)式為：Sk=prs0(2)式巾，kir一屋面積雪分布系數(shù)；s0—基本雪壓。商洛地區(qū)基本雪壓(n=50)為0.30kN，m—2，積雪分布系數(shù)為0.52［7】。雪載荷取值為0.156khkm-2，單根次梁承受的雪載荷(Sk1)為0.19kN。1.2.4荷載效應(yīng)組合支架在使用過程巾能同時(shí)出現(xiàn)風(fēng)荷載和雪荷載，在進(jìn)行支架

7、內(nèi)力分析時(shí)，應(yīng)按式(3)計(jì)算其荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值［8］(S)。S=1.2Gk+0.9x1.4xWk1+0.9x1.4xSk1(3)計(jì)算得當(dāng)支架截面厚度為1.5、2、2.5mm時(shí)，次梁的所受的荷載分別為1.80、1.81、1.82kN。2數(shù)值計(jì)算2.1應(yīng)力特征次梁安裝時(shí)槽口向上，對(duì)支架最左端和距右端100mm處的支撐面進(jìn)行約束，約束面大小為45M5mm,對(duì)兩個(gè)卷邊的頂部施加向下的外部載荷。當(dāng)截面厚度為1.5mm時(shí)，對(duì)支架施加1.80kN的外部載荷，支架的應(yīng)力分布特征如圖3所示。從圖3可以肴出，支架應(yīng)力分布比較均勻，主要集中在35.90N.mm—2以下，最小

8、應(yīng)力0.03N.mm-2，支撐部位附近應(yīng)力相對(duì)較大，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在左端支撐處，為143.49Nmm—2o當(dāng)截面厚度為2mm時(shí)，對(duì)支架施加1.81kN的外部載荷，支架的應(yīng)力分布特征如圖4所示。從罔4可以看出，與1.5mm截面時(shí)應(yīng)力特征相比，同一部位的應(yīng)力有所減小，應(yīng)力分布更加均勻，大多不超過26.30N，mm—2,最小應(yīng)力0.02N，mm—2，最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端支撐處，最大應(yīng)力值為105.15Ntbiti—2。當(dāng)截面厚度為2.5mm時(shí)，對(duì)支架施加1.82kN的外部載荷，支架的應(yīng)力分布特征如圖5所示。從圖5巾可以肴出，相比1.5mm和2mm截面時(shí)應(yīng)力進(jìn)一步減

9、小，主要分布在20.63hkmiri—2以下，最小應(yīng)力0.02N，mm—2，兩端