基于有限元分析的固定可调光伏支架受力分析和强度计算

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 买发军 吕丹

中国船舶重工集团西安第七O五研究所海源测控技术有限公司 ■ 白荣丽

0 引言

在当今能源短缺的现状下，新能源产业已上升为国家战略产业。随着国内光伏产业规模的逐步扩大，光伏电站建设用地越来越少，如何提高同等土地面积的光伏电站的发电量、降低度电成本、实现平价上网已成为整个光伏行业关注的热点。光伏组件将吸收到的太阳光转换成电能，太阳光的辐射强度会直接影响光伏组件的发电量，而每年不同季节的太阳光辐射角度不同。目前光伏电站常用的是固定倾角光伏支架，造价低廉，其倾角在光伏电站整个寿命周期内保持某个常数值，不能根据相应条件和需要进行调节，因此不能充分发挥光伏电站的发电效力，在我国大规模建设光伏电站的情况下，造成了大量潜在电力的浪费。而应用固定可调支架，可以通过一年中多次调节倾角增加光伏电站的发电量。

本文以某项目固定可调支架为例，重点对固定可调支架的主要零部件进行校核分析，为固定可调支架结构设计提供参考。

1 工程概况

本项目位于内蒙古包头市，项目采用固定可调支架，调节倾角范围为0°～60°，无级可调。单组支架安装20块光伏组件，布置方式为2行10列竖向布置；单块组件重量为26 kg，组件尺寸为1956 mm×992 mm×40 mm；采用单桩基础，每组支架设3跨。单组支架布置图如图1所示，固定可调支架结构简图如图2所示。

图1 单组支架布置图(单位：mm)

图2 固定可调支架结构简图

2 固定可调支架受力分析

2.1 基础数据

1)本项目单块光伏组件的面积a=1.956×0.992=1.94 m2。

2)每20块组件均匀分布在单组支架上，光伏组件倾角为θ，取值和变化范围为0°≤θ≤60°。单组支架长为10.154 m，宽为3.932 m，整体面积A=39.93 m2。

2.2 荷载计算

2.2.1 永久荷载

永久荷载G1主要包括光伏组件及钢支架的自重，单位为kN/m2。

光伏组件重量G组件=20×26×10=5200 N；

上部钢支架重量G钢构=2700 N；

所以，总重量G=G组件+G钢构=5200 N+2700 N=7.9 kN；

永久荷载G1=G/A=7.9/39.93≈0.2 kN/m2。

2.2.2 可变荷载

1)风荷载标准值计算。根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》[1]和GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[2]，查表可获得项目所在地50年一遇基本风压为0.55 kN/m2。

当计算主要承重结构时，风荷载标准值Wk的计算公式为：

式中，Wk为风荷载标准值，kN/ m2；w0为基本风压，kN/m2；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为高度z处的风压高度变化系数[2]。

其中，风压高度变化系数为所设计的追踪系统安装于最大高度为5 m的地面上时，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》附表8.2.1，取μz=1.09；风荷载体型系数μs=1.3；风振系数反映了脉动风对结构振动的影响，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》给出的高耸结构数据并参照有关资料，取βz=1.0。

由此可知，风荷载标准值Wk=0.55×1.09×1.3×1.0= 0.78 kN/m2。

2)雪荷载标准值计算。根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，项目所在地50年一遇基本雪荷载为0.25 kN/m2。实际雪荷载S受到光伏组件与水平面夹角θ的影响，即：

式中，S0为基本雪荷载，kN/m2；μr为受到θ影响的系数，称作积雪分布系数。μr根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》的推荐取值，如表1所示。

表1 积雪分布系数表

图3 单跨单坡积雪分布系数

3)组合荷载计算。组合荷载的公式可表示为：

式中，P为集中荷载；Qk1为起主导作用的可变荷载，此处为风荷载；Qk2为起非主导作用的可变荷载，此处为雪荷载；Qk3为其他可变荷载；ψ02为主导荷载系数；ψ03为非主导荷载系数。根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，γG1=1.2，γQ1=γQ2=1.4，ψ02=0.7。

垂直于光伏组件方向分力，Wk=0.78 kN/m2时，式(3)可以简化为：

从式(4)可以得出：当θ=60°时，组合荷载F数值最大，为1.07 kN/m2，支架承受的总荷载Fmax=FA=1.07×39.93=42.73 kN。

3 固定可调支架强度计算

3.1 主要结构组成

本项目固定可调支架主要由主立柱、辅立柱、斜梁、斜撑、檩条、主梁和千斤顶等组成，结构图如图4所示。

图4 固定可调支架结构图(单位：mm)

3.2 主立柱强度计算

每组固定可调支架包括4根主立柱，材质为Q235B，用于支撑主梁，受力模型如图5所示。

图5 主立柱受力模型

从图5有限元分析结果中可以得到，主立柱的最大位移产生在上端，数值为8.214 mm，小于36 mm(L/60)；最大应力为187.93 MPa，小于215 MPa，满足强度要求。

3.3 斜梁强度计算

每组固定可调支架包括5根斜梁，材质为Q235B，用于支撑檩条，受力模型如图6所示。

图6 斜梁受力模型

从图6有限元分析结果中可以得到，斜梁的最大位移产生在两端，数值为3.56 mm，小于11.2 mm(2L/250)；最大应力为129.52 MPa，小于215 MPa，满足强度要求。

3.4 檩条强度计算

每组固定可调支架包括4根檩条，材质为Q235B，用于支撑组件，受力模型如图7所示。

图7 檩条受力模型

从图7有限元分析结果中可以得到，檩条的最大位移产生在中间，数值为5.34 mm，小于9.4 mm(L/250)；最大应力为149.90 MPa，小于215 MPa，满足强度要求。

3.5 主梁强度计算

每组固定可调支架包括1根主梁，材质为Q235B，用于支撑斜梁，受力模型如图8所示。

从图8有限元分析结果中可以得到，主梁的最大位移产生在中间，数值为7.01 mm，小于12 mm(L/250)；最大应力为190.02 MPa，小于215 MPa，满足强度要求。

图8 主梁受力模型

3.6 结论

根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》表2“受弯构件挠度容许值”的规定，主梁挠度容许值为L/250；材料Q235B对应的最大应力为215 MPa。经计算，本项目固定可调支架各主要部件都满足设计要求，故支架满足设计要求。

4 结束语

本文借助包头某项目实际工况，运用有限元分析软件对固定可调支架的主要构件主立柱、斜梁、檩条、主梁等进行了受力分析和强度计算，可以严格控制各零部件的规格尺寸和材质，确保在安全可靠的前提下实现成本最优。

[1]GB 50017-2003, 钢结构设计规范[S].

[2]GB 50009-2012, 建筑结构荷载规范[S].