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基于有限元法的太阳能光伏支架结构设计研究

发表时间：2021/7/23 来源：《建筑科技》2021年8月上作者：周孝水

[导读] 太阳能作为新能源，在新时期发展当中得以广泛的应用，光伏支架机械结构是太阳能光伏发电系统的重要支撑体系，对整体系统运行的效果有较大的影响，通过对支架结构设计进行合理优化，对于太阳能光伏发电系统的高效运行与发展有大有裨益，因而本文以基于有限元法，结合跟踪支架设计经验为切入点，对太阳能光伏支架结构设计进行研究。

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摘要：太阳能作为新能源，在新时期发展当中得以广泛的应用，光伏支架机械结构是太阳能光伏发电系统的重要支撑体系，对整体系统运行的效果有较大的影响，通过对支架结构设计进行合理优化，对于太阳能光伏发电系统的高效运行与发展有大有裨益，因而本文以基于有限元法，结合跟踪支架设计经验为切入点，对太阳能光伏支架结构设计进行研究。
关键词：有限元法；太阳能光伏支架；结构设计
        引言：现代社会新能源领域的发展动力十足，新能源的开发与利用，对于能源节约和利用率强化有着重要助益。太阳能在新能源领域发展已经达到相对成熟的标准，并且太阳能发电系统的建设运行水平不断提升，太阳能光伏支架的应用成为人们关注的重点，对太阳能光伏支架结构设计优化研究，对于其发电系统运行性能提升有重要意义。
        一、太阳能光伏支架结构设计的基本概述
        太阳能光伏发电系统中设备的运行，对采光面有较高的要求，要保证太阳光源能够与采光平面以垂直的形式照射，才能让采热装置最大程度的收集太阳辐射，从而对阳光反射进行防控，避免产生较大的热损失，采热装置是支架结构的重要组成，在进行直接结构设计期间，需要对太阳光照射与装置之间的角度保持合理性，才能实现对热损失的控制。通过强化吸收辐射光线，就能够切实促进太阳能能源利用水平的提升。
        基于此在进行太阳能光伏支架结构设计时，要对采光面角度的调节功能进行优化，包括采光面跟随太阳的高度角方向与方位角可调节性能等内容。而且关于采光面角度的调节性能优化，需要对直接的支撑部位体积进行适当的缩减，让支架结构在进行旋转的过程中，单晶硅板安装面能够与支撑底座之间保持一定的距离。另外还要注重支架结构运行的稳定性，要保证支架的单晶硅板结构需要保持对称性，这样在运行期间才能保持受力作用均衡、稳定，防止发生偏移、倾斜等问题[1]。
        二、支架结构的具体设计分析
        太阳能光伏支架结构的设计，必须要保证太阳能利用率达到优良的状态，并且需要通过设计优化来持续促进太阳能利用充分性的提升。如一种新型的立柱式双轴光跟踪支架结构设计，在性能、制作成本以及美观性等方面均有较大的优势，其结构主要包括以下三个单元结构，下面对其设计进行具体分析。
        （一）采光支架单元设计
        采光支架单元结构，就是负责承载单晶硅的支架结构体，是对单晶硅板运转的形成自由程度进行控制，该支架结构设计当中采光支架能够承受四块单晶硅板，可将板质心依次连接，构建成正方向，全部安装完成之后几何中心点将与后采光支架重心保持一致。采光支架当中共三个支架结构，其中有两个子支架和一个辅助支架，单晶硅分别安装在子支架上，然后辅助支架负责支撑固定子支架，连接方式应用钢材方管焊接，并用U型螺栓加固。
        （二）角度调节单元设计
        角度调节单元结构是负责太阳能照射角度跟踪与调节，整体单元当中包含2个单独角度来实现对子结构的调节处理。具体是应用电动缸来对太阳高度角进行跟踪与调节，电动高具备伸缩功能，能够准确的对采光支架的角度进行调整，从而对太阳高度角进行实时追踪。针对太阳方位角的跟踪是通过步进电机提供驱动力，然后应用涡轮蜗杆传动装置来实现。

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        （三）支撑单元设计
        支撑单元当中包含支撑管（数量为1）与法兰盘（数量为2）结构，这一单元结构主要是负责为光伏支架提供支撑力，在设计期间要求整体支撑结构的承载能力优良，体积不能过大，结构运转时不能对旋转动作造成不良的影响，以上这些要求，可以通过应用回转体型材实现，如空心圆管等[2]。
        三、基于有限元法的支架结构设计校核分析
        （一）荷载参数的校核
        基于有限元法，根据支架结构设计方案情况，应用建模软件能够对支架结构的重力荷载、风载以及雪荷载等参数进行计算，其中计算重力载荷时需要同步获取支撑管的受力情况；风载计算时需要对正压和负压两种状态进行综合考量，而结构的重力荷载与负压风载荷等同，能够消除，对风载校核时可以直接应用正压荷载。
       （二）采光支架线性静态结构校核
        在光伏支架结构设计当中，单硅晶板支撑是由光伏支架负责，以保持整体结构的刚度与稳定，因而对采光支架进行线性静态结构校核能够对整体结构运行质效进行确认，结合有限元分析系统来对结构数值进行仿真。通过具体的仿真分析与计算，获得结构的形变量最大值为1.76毫米，变形最显著的区域是在非电动缸支撑子支架最外侧两角，因而可以明确结构的刚度已经达到合格的标准，并且最大的应力值要比材料能够承受的应力极限小，结构设计具备可行性和可靠性。
        （三）支撑管线性曲屈与静态结构耦合分析
        耦合分析是对支撑单元结构的稳定性进行确认，在结构设计检查过程中，需要通过失稳分析，也就是屈曲分析对部分结构进行验证，从而确定结构在指定的载荷作用下，稳定性情况和实际的失稳临界荷载。具体利用有限元数值仿真分析平台进行模拟时，应对该结构进行线性静态结构分析，而后将分析数据共享到Linear Bucking模块进行曲屈分析。最终获得支撑管的上端产生了最大程度的位移，数值是0.1014毫米，最大负荷应力是在支撑管底部出现，为4.1623MPa，通过有限元分析，将最大应力与材料屈服应力进行对比，明确支架结构设计达到合格的标准。并且通过屈曲分析，明确结构的稳定性与使用要求水平相比要高出很多。
        四、太阳能光伏支架结构设计优化建议
        通过利用有限元软件分析技术，来对太阳能光伏支架结构设计进行验证分析，能够在设计阶段对整体结构的受力情况、性能水平等进行明确，为结构设计的优化提供更加准确和有价值的参考，促进支架结构设计水平的优化提升。通过上述对支架结构设计的分析，可以明确该结构设计性能优良，但是在材料消耗方面存在浪费的情况，可以将方管型材的边长设计成25毫米通过仿真分析得到这时最大位移数值时6.109毫米，最大应力值是58.12MPa，而材料利用率比较高，可以实现节约成本。
        结束语：太阳能光伏支架结构设计的合理性强化，对于其结构运行质量和性能提升有很大的帮助。可以通过应用双轴光跟踪太阳的高度角与方位角，以提高太阳通过有限元分析法，能够帮助结构设计质量、效率的提升以及成本的节约，值得大力推广应用。
参考文献：
[1]崔静恩,李锐,范磊，等.太阳能光伏与建筑屋顶一体化构造深化研究[J].建材技术与应用,2021(02):48-53.
[2]柴晓兵. 柔性太阳能光伏支架风荷载取值研究[D].石家庄铁道大学,2020.