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        太陽能光伏跟蹤系統(tǒng)中驅(qū)動方式對結(jié)構(gòu)的影響分析

        2022-08-10 06:29:54丁曉勇朱文逸朱彥飛陳昌宏
        西北水電 2022年3期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)致單點(diǎn)阻尼器

        丁曉勇,肖 斌,朱文逸,朱彥飛,陳昌宏

        (1.上海電氣工程設(shè)計有限公司,上海 201199;2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065;3.上海維旺光電科技有限公司,上海 201611;4.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,西安 710055;5.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院,西安 710129)

        0 前 言

        隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn),太陽能等清潔新能源更顯重要。隨著世界上太陽能發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)量的逐年增加截至2020年,全球太陽能裝機(jī)容量已累計超過600 GW,超過70%比重的光伏產(chǎn)品由中國制造商提供[1]。光伏跟蹤系統(tǒng)提升了太陽能的利用發(fā)電效率,在光伏行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2]。目前,光伏跟蹤系統(tǒng)分為固定可調(diào)、平單軸、斜單軸和雙軸跟蹤器,而平單軸跟蹤系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡便、安裝方便、節(jié)約土地等優(yōu)點(diǎn)得到行業(yè)廣泛認(rèn)可[2-3]。

        根據(jù)光伏跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性分析可知,風(fēng)荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)失效是平單軸跟蹤系統(tǒng)的主要失效模式[4-5],如圖 1所示。鄒云峰等人[3]對比分析了跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,依據(jù)各國規(guī)范(中、美、日)得到的光伏結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載與試驗(yàn)結(jié)果均有差異。通過風(fēng)洞試驗(yàn)可明確光伏面板風(fēng)壓分布不均勻,必須考慮面板中心軸處的力矩作用。近年來,多地頻現(xiàn)光伏跟蹤支架倒塌失效問題,失效時并未達(dá)到設(shè)計風(fēng)速,而是低風(fēng)速導(dǎo)致的光伏矩陣破壞,現(xiàn)場破壞如圖 2所示。通過裝置阻尼器和多點(diǎn)驅(qū)動等方式可顯著降低光伏陣列震動幅值,極大提升光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性[4,6-7]。

        圖1 風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        圖2 光伏跟蹤系統(tǒng)風(fēng)致失效

        太陽能平單軸跟蹤系統(tǒng)在進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)時,由于風(fēng)場的渦流脫落激發(fā)跟蹤光伏支架的第一階振動模態(tài)。隨著渦流脫落,扭矩的突然釋放導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動如圖3所示。Rohr等人[8]建議單獨(dú)的跟蹤支架和陣列外邊緣的跟蹤支架不要在大風(fēng)中處于打平狀態(tài)。該分析結(jié)果與Martnez-Garca等人[5]和Young等人[9]關(guān)于跟蹤支架風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動的研究結(jié)論相近。

        圖3 跟蹤光伏支架風(fēng)場渦流脫落

        針對風(fēng)致扭轉(zhuǎn)失效,目前實(shí)際工程中有兩種常用方式緩減主軸的扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)振動,即多點(diǎn)驅(qū)動和單點(diǎn)驅(qū)動結(jié)合端部阻尼器。但目前針對不同驅(qū)動方式的作用缺少定量性對比分析,本文結(jié)合工程實(shí)際,基于GB/T 29320-2012《光伏電站太陽跟蹤系統(tǒng)技術(shù)要求》[10]、NB/T 10115-2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[11]和GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[12]分析不同驅(qū)動方式對光伏跟蹤系統(tǒng)風(fēng)致響應(yīng)的影響。

        1 風(fēng)荷載確定

        1.1 計算公式

        根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[13]、NB/T 10115-2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[11],計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件時,垂直作用于光伏組件表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定確定:

        wk=βz·μs·μz·w0

        (1)

        式中:w0為基本風(fēng)壓,kN/m2;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù),光伏支架一般可按照1.0取值。

        1.2 風(fēng)荷載體形系數(shù)

        根據(jù)GB 50009-2012[13]的風(fēng)荷載體形系數(shù)如表 1所示。根據(jù)NB/T 10115[11]的風(fēng)荷載體形系數(shù)如表 2和表3所示,其中表1~3的參數(shù)含義如圖4所示??紤]到光伏跟蹤系統(tǒng)在受風(fēng)工況下扭轉(zhuǎn)效應(yīng),且常用支架跟蹤角度范圍±55°,本文建議采用如表 3所示的體型系數(shù)。

        表1 GB50009風(fēng)荷載體形系數(shù)

        表2 NB/T 10115風(fēng)荷載體形系數(shù)

        表3 NB/T 10115風(fēng)荷載體形系數(shù)(條文說明)

        圖4 不同規(guī)范中風(fēng)荷載體形系數(shù)

        2 設(shè)計參數(shù)

        2.1 工況概況

        根據(jù)GB/T 29320-2012[10]設(shè)計要求,光伏跟蹤系統(tǒng)在風(fēng)速18 m/s以下時應(yīng)能正常運(yùn)行,風(fēng)速增至18 m/s,跟蹤系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)入抗風(fēng)保護(hù)狀態(tài)[10]。由此,本文設(shè)定工作風(fēng)壓0.2 kN/m2,非工作風(fēng)壓(保護(hù)風(fēng)壓)0.54 kN/m2。工作傾角±55°,非工作傾角0°。考慮到跟蹤系統(tǒng)的除雪功能,本文不考慮雪荷載。構(gòu)件材質(zhì)采用Q355B,彈性模量E=206 000 MPa,屈服強(qiáng)度fy=345 MPa,設(shè)計強(qiáng)度f=305 MPa。組件采用雙排方式,組件尺寸2 384 mm×1 303 mm×35 mm(長×寬×高)。

        本文跟蹤系統(tǒng)擬采用驅(qū)動方式:① 單點(diǎn)回轉(zhuǎn)減速機(jī)的驅(qū)動方式;② 單點(diǎn)回轉(zhuǎn)減速機(jī)的驅(qū)動方式,支架端部配置阻尼器。本文采用的阻尼器性能曲線如圖5所示。在SAP2000有限元軟件中非驅(qū)動點(diǎn)立柱頂部通過釋放彎矩R3約束實(shí)現(xiàn)該處主梁(主軸)自由旋轉(zhuǎn),如圖6所示。

        圖5 阻尼器性能曲線

        圖6 驅(qū)動方式解決方案

        2.2 模型參數(shù)

        本文采用SAP2000有限元分析軟件,模型構(gòu)件截面如表4所示,根據(jù)光伏跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動方式的不同,本文所建立有限元模型1(單點(diǎn)驅(qū)動)、模型2(單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器)、模型3(多點(diǎn)驅(qū)動)分別如圖7~9所示。

        表4 模型構(gòu)件截面

        圖7 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動光伏跟蹤支架

        圖8 模型2的單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器光伏跟蹤支架

        3 結(jié)果分析

        3.1 結(jié)構(gòu)振動特性

        模型1、2和模型3的模態(tài)參與質(zhì)量比分別如表5、6和表7所示,模型1的RY達(dá)到83%。模態(tài)分析結(jié)果分別如圖10、11和圖12所示。根據(jù)模態(tài)參與質(zhì)量比及振型分析,振動特性分析可知,模型1(單點(diǎn)驅(qū)動)以扭轉(zhuǎn)振動為主,模型2(單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器)和模型3(多點(diǎn)驅(qū)動)以局部振動為主。光伏跟蹤系統(tǒng)通過主梁(主軸)端部設(shè)置阻尼器可有效減緩了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動的效應(yīng),同時通過多點(diǎn)驅(qū)動的方式可達(dá)到同樣效果。由此亦可減緩由于風(fēng)流的漩渦脫落導(dǎo)致的振動響應(yīng)。

        圖10 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動光伏跟蹤支架一階模態(tài)

        圖11 模型2的單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器光伏跟蹤支架一階模態(tài)

        圖12 模型3的多點(diǎn)驅(qū)動光伏跟蹤支架一階模態(tài)

        表5 模態(tài)參與質(zhì)量比(模型1:單點(diǎn)驅(qū)動)

        表6 模態(tài)參與質(zhì)量比(模型2:單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器)

        表7 模態(tài)參與質(zhì)量比(模型3:多點(diǎn)驅(qū)動)

        3.2 主梁靜力響應(yīng)

        模型1、2、模型3由于風(fēng)荷載(Wind-)導(dǎo)致的光伏支架結(jié)構(gòu)主梁(主軸)端部旋轉(zhuǎn)變形分別如圖13(R2=0.20441 rad)、14(R2=0.07089 rad)和圖15(R2=0.03629 rad)所示。相對于模型1,模型2由于布置阻尼器降低了65.3%的風(fēng)致旋轉(zhuǎn)變形,模型3由于采用多點(diǎn)驅(qū)動降低了82.2%的風(fēng)致旋轉(zhuǎn)變形。

        圖14模型2的單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器風(fēng)致扭轉(zhuǎn)R2=0.07089

        模型1、2、3由于風(fēng)荷載(Wind-)所致主軸扭矩分布分別如圖16(Tmax=6.18 kN·m)、17(Tmax=3.86 kN·m)和圖18(Tmax=2.68 kN·m)所示。相對模型1,模型2由于布置阻尼器,主梁(主軸)的最大風(fēng)致扭矩降低了37.5%,扭矩分布相對分散。模型3由于采用多單驅(qū)動,主梁(主軸)的最大風(fēng)致扭矩降低了56.6%,且主軸的扭矩分布更加均勻分散,相對充分利用了主軸的材性。

        圖16模型2的無阻尼器風(fēng)致扭矩分布Tmax=6.18 kN·m

        圖17模型1的考慮阻尼器風(fēng)致扭矩分布Tmax=3.86 kN·m

        圖18 模型3的多點(diǎn)驅(qū)動風(fēng)致扭矩分布Tmax=2.68 kN·m

        3.3 立柱靜力響應(yīng)

        模型1、2、3由于風(fēng)荷載(Wind-)導(dǎo)致的光伏支架結(jié)構(gòu)立柱底部內(nèi)力分別如表 8(M3=-18.434)、9(M3=14.115)和表 10(M3=11.2469)。相對于模型1,模型2由于布置阻尼器,降低了立柱23.4%的風(fēng)致彎矩M3,模型3由于采用多點(diǎn)驅(qū)動,降低了立柱39.0%的風(fēng)致彎矩M3。根據(jù)分析結(jié)果可知,模型1和模型2的中間立柱(編號4)M3彎矩最大,立柱編號如圖19所示,而采用多點(diǎn)驅(qū)動的模型3,彎矩最大的立柱處于兩端(編號2、6),且所有立柱M3比較相對均勻,由此會導(dǎo)致光伏跟蹤系統(tǒng)的水平位移減小。通過SAP2000軟件分析可知,模型1、模型2和模型3由于風(fēng)荷載(Wind-)所致立柱最大水平位移分別為5.4、4.0 mm和3.0 mm。相對于模型1,模型2和模型3分別降低了25.9%和44.4%。3種驅(qū)動方式所致7根立柱頂部水平位移最大值與最小值的差值分別為4.1、2.4、1.7 mm,由此亦可發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)驅(qū)動所致主梁變形更加平緩,受力更加均勻。

        圖19 立柱編號

        表8 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動立柱內(nèi)力

        表9 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器立柱內(nèi)力

        表10 模型1的單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器立柱內(nèi)力

        4 結(jié) 論

        本文基于SAP2000軟件定量性分析了太陽能光伏跟蹤系統(tǒng)中單點(diǎn)驅(qū)動、單點(diǎn)驅(qū)動+阻尼器、多點(diǎn)驅(qū)動3種驅(qū)動方式對結(jié)構(gòu)動力和靜力特性的影響,形成結(jié)論如下:

        (1) 阻尼器的增設(shè)、多點(diǎn)驅(qū)動方式可明顯改善跟蹤系統(tǒng)的振動特性,由單點(diǎn)驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)為局部振動。

        (2) 阻尼器的增設(shè)、多點(diǎn)驅(qū)動方式明顯降低跟蹤系統(tǒng)風(fēng)致扭轉(zhuǎn)變形(分別為65.3%和82.2%),降低結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動,提高結(jié)構(gòu)可靠度。

        (3) 阻尼器、多點(diǎn)驅(qū)動方式改善主梁(主軸)的扭矩分布,同時降低立柱最大彎矩(分別為23.4%和39.0%),同時減小了結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移(分別為25.9%和44.4%),并充分利用材料屬性,節(jié)省主梁和立柱的材料用量。

        (4) 建議太陽能跟蹤設(shè)計應(yīng)增加主梁(主軸)旋轉(zhuǎn)變形限值的規(guī)定,阻尼器的選型應(yīng)通過計算確定,防止阻尼器失效破壞。

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