上海太陽能科技有限公司 ■ 陳國良 孫麗兵 張麗瑩 陳素瑩

0 引言

太陽能作為一種分布廣泛的清潔能源正越來越多地被開發(fā)利用。其中，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光伏發(fā)電技術(shù)使用較為普遍。由于太陽能的能量分散、最佳能量接收角度在一天當(dāng)中隨著太陽方位不斷變化，傳統(tǒng)的固定式太陽能發(fā)電裝置的能量利用效率較低。相比之下，近年來出現(xiàn)的聚光式太陽能追蹤發(fā)電系統(tǒng)很好地解決了以上問題。這一系統(tǒng)使用聚光板對陽光進(jìn)行反射，將太陽能匯聚到面積較小的光伏組件上，節(jié)省了太陽電池的用量；配備運動裝置，能根據(jù)太陽高度角隨時調(diào)整聚光板角度，使其隨時處于最佳能量接收角度，從而提高發(fā)電效率[1]。

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，由于聚光式太陽能追蹤發(fā)電系統(tǒng)使用的聚光板面積較大，導(dǎo)致其自重和風(fēng)、雪載荷也較大；由于角度的變化，其載荷組合情況較為復(fù)雜，因此對其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更加嚴(yán)格的要求。目前我國尚未有與之對應(yīng)的設(shè)計規(guī)范。本文以某聚光式太陽能追蹤發(fā)電裝置為例，參考相關(guān)技術(shù)規(guī)范，利用有限元結(jié)構(gòu)分析方法，對其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行分析校核。

1 聚光式太陽能追蹤發(fā)電裝置簡介

聚光式太陽能追蹤發(fā)電裝置由光伏組件、驅(qū)動裝置、聚光板和支撐結(jié)構(gòu)組成。聚光板和光伏組件固定在支撐結(jié)構(gòu)上，陽光經(jīng)過聚光板反射匯聚于光伏組件處。驅(qū)動裝置帶動支撐結(jié)構(gòu)運動以根據(jù)太陽高度調(diào)整聚光板的角度。本文研究對象的結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置總長12 m，橫梁寬2.4 m，立柱高2 m。共設(shè)有5根立柱和8根橫梁，6組聚光板和光伏組件通過光軸固定在橫梁上，在驅(qū)動裝置的帶動下，可在±75°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。整體結(jié)構(gòu)中除局部使用了加強(qiáng)材料外，材料均為Q235-B碳素結(jié)構(gòu)鋼。

結(jié)構(gòu)性能設(shè)計指標(biāo)和環(huán)境載荷要求為：1)基本風(fēng)壓0.50 kN/m2；2)基本雪壓0.10 kN/m2；3)基本氣溫-22～34 ℃。

圖1 聚光式太陽能追蹤發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計載荷和工況的確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的一般流程，結(jié)構(gòu)分析應(yīng)首先確定結(jié)構(gòu)在壽命周期內(nèi)可能遭遇到的最危險的靜態(tài)和動態(tài)載荷組合，之后根據(jù)適當(dāng)?shù)膬?nèi)力分析方法求得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形響應(yīng)，最后根據(jù)適當(dāng)?shù)男：藰?biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評估[2]。因此，確定設(shè)計載荷在結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核中的作用十分關(guān)鍵。

本文研究的聚光式太陽能追蹤發(fā)電系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)主要承受以下載荷：1)光伏組件、聚光板和支撐結(jié)構(gòu)的重力載荷；2)冬季作用在結(jié)構(gòu)上的雪載荷；3)作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載荷。以上3種載荷中，重力載荷屬于永久載荷，雪載荷和風(fēng)載荷屬于可變載荷。風(fēng)、雪載荷受環(huán)境和時間影響，帶有隨機(jī)特征，準(zhǔn)確預(yù)報其壽命中的最大值較困難，在工程中不易實現(xiàn)。因此，在實際應(yīng)用中通常使用相關(guān)規(guī)范中的經(jīng)驗值作為環(huán)境載荷的設(shè)計值。

目前，我國尚沒有針對太陽能發(fā)電裝置支撐結(jié)構(gòu)制定專門的規(guī)范。本文根據(jù)研究對象的結(jié)構(gòu)和功能特點，選擇我國GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[3]確定結(jié)構(gòu)校核的載荷設(shè)計值。

2.1 風(fēng)載荷

垂直于聚光板表面上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，按照GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》第8章8.1.1-1公式進(jìn)行計算：

式中，wk為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，取βz=1.0；μs為風(fēng)載荷體型系數(shù)，按照8.3.3中突出構(gòu)件的計算方法，取μs=-2.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，μz=1.09；w0為基本風(fēng)壓，kN/m2，w0=0.50 kN/m2。

2.2 雪載荷

垂直于聚光板水平投影面上的雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值按照GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》第7章7.1.1公式進(jìn)行計算：

式中，sk為雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)，隨角度變化，取值見GB 50009-2012表7.2.1；s0為基本雪壓，kN/m2，s0=0.10 kN/m2。

2.3 永久載荷sG

永久載荷包括聚光板、光伏組件和支撐結(jié)構(gòu)的自重，按照結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸和材料單位體積的自重計算確定。

2.4 載荷組合sd

本文研究的太陽能追蹤發(fā)電裝置的上部結(jié)構(gòu)可在±75°范圍內(nèi)進(jìn)行運動，其載荷組合情況隨著其姿態(tài)發(fā)生變化，其結(jié)構(gòu)受力特征也將有明顯區(qū)別，因此無法直接獲得最危險的受力狀態(tài)?？紤]載荷的對稱性，校核時在0°～75°范圍內(nèi)每隔15°進(jìn)行一次結(jié)構(gòu)校核，共6種計算工況。

根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》第3章載荷組合的規(guī)定，各工況下強(qiáng)度校核的載荷組合見表1。

表1 各工況載荷組合

3 有限元模型建立

根據(jù)各工況下支撐結(jié)構(gòu)的位置，使用MSC Patran軟件建立6組有限元模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點，在模型中使用梁單元模擬橫梁、主梁、立柱、光軸；光伏組件、小型連接構(gòu)件等對結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度影響較小，建模中省略了其結(jié)構(gòu)，僅以零維的質(zhì)量單元模擬其重量。材料均為Q235-B低碳鋼。原有結(jié)構(gòu)中，由于中央立柱僅起固定傳動裝置的作用，不應(yīng)承受結(jié)構(gòu)載荷，因此模型當(dāng)中僅建出4根立柱。圖2給出了0°工況下的有限元模型示意圖。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型

1)載荷：重力載荷通過慣性力施加，聚光板上的風(fēng)、雪載荷使用集中力的方式加在光軸上。

2)邊界條件：支柱下端與土壤接觸處，使用固定位移約束，限制所有平動和轉(zhuǎn)動自由度。

4 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

使用MSC Nastran軟件進(jìn)行求解，并使用MSC Patran軟件對結(jié)果進(jìn)行后處理，輸出支撐結(jié)構(gòu)工作狀況下的應(yīng)力水平，計算結(jié)果見表2。參照GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]，采用von-Mises屈服準(zhǔn)則，選取215 Mpa為許用應(yīng)力衡準(zhǔn)，對各工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平進(jìn)行校核分析，校核結(jié)果全部符合衡準(zhǔn)要求。

從表2可看出，在75°情況下，支撐結(jié)構(gòu)承受的工作應(yīng)力最大，為142.1 Mpa。最大工作應(yīng)力發(fā)生在立柱的根部，根據(jù)理論分析，由于此時支撐結(jié)構(gòu)主要受到側(cè)向的風(fēng)載荷作用，立柱承受較大的彎曲載荷，因此彎曲應(yīng)力應(yīng)在立柱根部達(dá)到最大。有限元計算結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

圖3為這一工況下的工作應(yīng)力云圖。在0°～45°的4個工況當(dāng)中，最大工作應(yīng)力均出現(xiàn)在橫梁與主梁交匯處。

圖3 支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖(75°工況)

5 結(jié)論

本文使用有限元方法對某聚光式太陽能追蹤發(fā)電裝置支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。首先通過查閱相關(guān)規(guī)范，確定了結(jié)構(gòu)校核的計算工況和設(shè)計載荷；之后利用MSC Patran/Nastran軟件對支撐結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度進(jìn)行了有限元建模和計算分析，得到的計算結(jié)果能正確地反映出支撐結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力特征；最后，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范對研究對象的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核。主要結(jié)論如下：

1)有限元計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在聚光板與地面呈75°的工況下產(chǎn)生最大的工作應(yīng)力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與土壤交界處，為142.1 Mpa。這一應(yīng)力主要由于風(fēng)載荷橫向作用于支撐結(jié)構(gòu)，在立柱根部產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力所致。因此，在設(shè)計中應(yīng)盡量減小立柱高度，并選用合適的立柱截面尺寸。

2)在聚光板與地面呈0°～45°工況下，最大的工作應(yīng)力發(fā)生在橫梁根部，由風(fēng)、雪及結(jié)構(gòu)自重作用產(chǎn)生，同樣以彎曲應(yīng)力為主。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)同樣予以關(guān)注，選用合適的橫梁截面形狀和尺寸。

3)研究對象的所有構(gòu)件在各工況下的強(qiáng)度均滿足要求，校核結(jié)果合格。

[1] 童靖宇， 楊亦強(qiáng). 聚光式空間太陽能電源系統(tǒng)[J]. 航天器工程 ， 2012， 21(5)： 103 － 109.

[2] 王煥丁 ， 祁皚 . 結(jié)構(gòu)力學(xué) [M]. 北京 ： 清華大學(xué)出版社 ， 2006.

[3] GB 50009-2012， 建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范[S].

[4] GB 50017-2003， 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].