太阳能光伏支架受力特征有限元分析

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1、太阳能光伏支架受力特征有限元分析商洛地处秦岭南麓，东经108°34'20”〜111了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500MW,年发电6亿度，节标煤20万吨，减排CO245.8万吨［2-3］。陕丙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10000t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

2、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45x41mm,底面冲孔，冲孔大小44x20mm，冲孔间距26mm，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1500mm为适宜跨度。以次梁为分析对象，取1.5、2mm和2.5mm三种截面厚度作为对比。材料种类为Q2

3、35钢，模型类型为线性弹性各向同性，弹性模量为210000Nmm-2,泊松比为0.28，抗剪模量79000N-mm-2,质量密度7800kg，m-3,张力强度399.83hLmm—2,屈服强度220.59N-mm-2,热膨胀系数43W.(m.K)—1，比热440J.(kgK)—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100mm处固定于主梁上，同时有100mm悬臂，总长度1600mm

4、。经计算，当支架截面厚度为1.5、2、2.5mm时，支架自重分别为27、36、45N。光伏板重量：光伏板单板重量为152N，每块光伏板的宽度为808mm,即相邻两个主梁间可以安装1.99块光伏板，总重量302.48N。次梁为上下两根平行安装，单根次梁承受的光伏板重量为151.24N。1.2.2风荷载风载荷标准值Wk的表达式为［5］:Wk=pzps

5、jzcoO(1)式中，pz一阵风系数；ps一风荷载体型系数；pz一风压高度变化系数；ojO—基本风压。商洛地区基本风压(n=50)为0.30kN.m—2，地面粗糙度为巳类［6］。由于光伏电站在山坡上修建，考虑地

6、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0.909kN、m—2。一块光伏板的面积为1.27664m2,单根次承受的风载荷(Wk1)为1.08kN。1.2.3雪荷载风载荷标准值Sk的表达式为：Sk=prs0(2)式巾，kir一屋面积雪分布系数；s0—基本雪压。商洛地区基本雪压(n=50)为0.30kN，m—2，积雪分布系数为0.52［7】。雪载荷取值为0.156khkm-2，单根次梁承受的雪载荷(Sk1)为0.19kN。1.2.4荷载效应组合支架在使用过程巾能同时出现风荷载和雪荷载，在进行支架

7、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+0.9x1.4xWk1+0.9x1.4xSk1(3)计算得当支架截面厚度为1.5、2、2.5mm时，次梁的所受的荷载分别为1.80、1.81、1.82kN。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100mm处的支撑面进行约束，约束面大小为45M5mm,对两个卷边的顶部施加向下的外部载荷。当截面厚度为1.5mm时，对支架施加1.80kN的外部载荷，支架的应力分布特征如图3所示。从图3可以肴出，支架应力分布比较均匀，主要集中在35.90N.mm—2以下，最小

8、应力0.03N.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143.49Nmm—2o当截面厚度为2mm时，对支架施加1.81kN的外部载荷，支架的应力分布特征如图4所示。从罔4可以看出，与1.5mm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26.30N，mm—2,最小应力0.02N，mm—2，最大应力出现在两端支撑处，最大应力值为105.15Ntbiti—2。当截面厚度为2.5mm时，对支架施加1.82kN的外部载荷，支架的应力分布特征如图5所示。从图5巾可以肴出，相比1.5mm和2mm截面时应力进一步减

9、小，主要分布在20.63hkmiri—2以下，最小应力0.02N，mm—2，两端