上海太陽能科技有限公司 ■ 陳國良 孫麗兵 張麗瑩 陳素瑩
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(duì)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(yùn)動(dòng)裝置,能根據(jù)太陽高度角隨時(shí)調(diào)整聚光板角度,使其隨時(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)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(duì)其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行分析校核。
聚光式太陽能追蹤發(fā)電裝置由光伏組件、驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置帶動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以根據(jù)太陽高度調(diào)整聚光板的角度。本文研究對(duì)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(dòng)裝置的帶動(dòng)下,可在±75°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jì)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
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(xiǎn)的靜態(tài)和動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估[2]。因此,確定設(shè)計(jì)載荷在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)間影響,帶有隨機(jī)特征,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其壽命中的最大值較困難,在工程中不易實(shí)現(xiàn)。因此,在實(shí)際應(yīng)用中通常使用相關(guān)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)值作為環(huán)境載荷的設(shè)計(jì)值。
目前,我國尚沒有針對(duì)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(duì)象的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn),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(jì)值。
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(jì)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(jì)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。
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(jì)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。
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(jì)尺寸和材料單位體積的自重計(jì)算確定。
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(yùn)動(dòng),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(xiǎn)的受力狀態(tài)。考慮載荷的對(duì)稱性,校核時(shí)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(jì)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
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(diǎn),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(duì)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(dòng)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
使用MSC Nastran軟件進(jìn)行求解,并使用MSC Patran軟件對(duì)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(jì)算結(jié)果見表2。參照GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(jì)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(gè)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)
本文使用有限元方法對(duì)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(jì)算工況和設(shè)計(jì)載荷;之后利用MSC Patran/Nastran軟件對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度進(jìn)行了有限元建模和計(jì)算分析,得到的計(jì)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(duì)研究對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(jì)規(guī)范[S].