離網(wǎng)光伏儲能一體機優(yōu)化設(shè)計與分析

吳衛(wèi)國，汪建曉*，陸守強，李冬梅

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東佛山528225；2.廣東順德創(chuàng)新設(shè)計研究院，廣東佛山528311）

能源是人類進步、社會發(fā)展的推進器，隨著全球經(jīng)濟和工業(yè)的快速發(fā)展，化石燃料等非可再生能源消耗日益劇增。大量非可再生能源的使用，引出了一系列問題，例如全球氣候變暖、溫室效應(yīng)的產(chǎn)生、海平面上升、大氣污染以及化石燃料等非可再生能源的日益枯竭。

這一系列的問題，迫使人們大力開發(fā)、使用可再生的綠色無污染的新能源［1］。其中太陽能能源開發(fā)利用最為廣泛，相應(yīng)的太陽能設(shè)備也較為成熟。離網(wǎng)太陽能光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)［2-3］就是利用太陽能光伏板將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換成電能，通過太陽能充放電控制器向負載供電和向蓄電池充電，在無陽光和夜晚中，蓄電池能夠作為電源為負載供電。離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)一般應(yīng)用于寬廣的草原地帶、偏遠山區(qū)、孤立海島或一些偏僻的無電地區(qū)，其主要工作在戶外環(huán)境中。

離網(wǎng)光伏儲能一體機是離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的主要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響整個系統(tǒng)的安全性與使用壽命。本文首先利用ANSYS Workbench對離網(wǎng)光伏儲能一體機進行靜力學(xué)與模態(tài)分析［4-5］，找出整機結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，針對結(jié)構(gòu)的薄弱部環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設(shè)計。然后通過對整機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計［6-8］，提高其結(jié)構(gòu)的剛度、強度和振動特性。最后對優(yōu)化后的整機模型進行靜力學(xué)與模態(tài)分析，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲能一體機結(jié)構(gòu)的強度、剛度以及振動特性得以較大的提高，滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求，為離網(wǎng)光伏儲能一體機的優(yōu)化設(shè)計提供一種方法和依據(jù)。

1 有限元仿真分析理論基礎(chǔ)

根據(jù)牛頓第二定律可得動力學(xué)平衡方程通式，即

其中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，x為位移矢量，F(xiàn)（t）為力矢量，為速度矢量，為加速度矢量。

在線性靜力學(xué)分析中，由于時間因素不影響分析結(jié)果，因此將與時間相關(guān)的量都忽略，式（1）可簡化為

模態(tài)分析是計算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，是最基本動力學(xué)分析，也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。通過模態(tài)分析可以確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使得在實際工作中能夠有效地避免因共振因素造成結(jié)構(gòu)的損壞。在一般的模態(tài)分析中，沒有外界激勵載荷并且忽略阻尼的作用，因此式（1）可簡化為

當(dāng)發(fā)生自由簡諧振動時，運動方程可簡化為

2 離網(wǎng)光伏儲能一體機有限元分析

離網(wǎng)光伏儲能一體機主要由機架結(jié)構(gòu)、儲能電池模塊、變壓器模塊以及主控器模塊等構(gòu)成，其外觀尺寸為590 mm×300 mm×600 mm。其中離網(wǎng)光伏儲能一體機整機機架分成三層倉，最底層用于承載儲能電池模塊，中間層用于承載變壓器模塊，頂層用于放置逆變集成主控制器模塊。每一層都設(shè)有相配合的方形鈑金件作為支撐底板，其外圍用鈑金板件進行外觀封裝設(shè)計，通過螺栓和焊接將板材與機架框架結(jié)構(gòu)緊固相連。其離網(wǎng)光伏儲能一體機機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)光伏儲能一體機結(jié)構(gòu)

2.1 實體模型建立

由于部分零件外形較為復(fù)雜，為了便于進行有限元仿真，對離網(wǎng)光伏儲能一體機機架進行模型簡化處理，將簡化忽略的部分零部件以力的形式加載在離網(wǎng)光伏儲能一體機上，其簡化的模型如圖2所示，將簡化后的三維立體模型保存為*.x_t文件格式。

2.2 網(wǎng)格劃分與材料屬性定義

將簡化后的三維立體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺中，進行材料屬性定義操作與網(wǎng)格劃分。

（1）材料屬性定義。因為鍍鋅鋼板與鋁合金材料具有抗拉強度強、可靠性好、耐氧化、耐腐蝕等優(yōu)點，所有離網(wǎng)儲能一體機機架選用鍍鋅鋼板和鋁合金作為材料，其材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

（2）網(wǎng)格劃分。使用網(wǎng)格劃分工具對離網(wǎng)光伏儲能一體機簡化的模型進行網(wǎng)格劃分操作和網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置，設(shè)置網(wǎng)格尺寸單元為10 mm，平滑度為中等，參數(shù)設(shè)置完成后，進行網(wǎng)格劃分求解，其網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖3所示。該模型劃分成134 110個單元，共279 939個節(jié)點。

圖2 簡化的離網(wǎng)光伏儲能一體機

圖3 網(wǎng)格劃分后的模型

2.3 施加邊界載荷

進行有限元力學(xué)仿真分析時，需根據(jù)離網(wǎng)光伏儲能一體機實際工作受到載荷的作用，施加邊界載荷。根據(jù)離網(wǎng)光伏儲能一體機機架自重與安裝在機架上的零部件造成的壓力作用，對其底部4個固定底座進行固定位移約束。儲能電池模組質(zhì)量約為30 kg，逆變器模塊質(zhì)量約為0.5 kg，主控制器模塊質(zhì)量約為1 kg。以壓力分量294、4.9、9.8 N的集中應(yīng)力分別施加至各層支撐板上。

3 離網(wǎng)光伏儲能一體機的靜力學(xué)與模態(tài)分析

3.1 靜力學(xué)分析

對離網(wǎng)光伏儲能一體機有限元分析模型施加邊界載荷后，進行靜力學(xué)求解計算和結(jié)果后處理［9-10］。為了便于觀察整機的內(nèi)部變形情況，使用Slice Planes切開未發(fā)生變形的前面板部分，得到離網(wǎng)光伏儲能一體機整體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖與總形變位移云圖，分別如圖4、5所示。

圖4 等效應(yīng)力云圖

由圖4、5可知，離網(wǎng)光伏儲能一體機的應(yīng)力主要集中于底層倉支撐板以及側(cè)板附近區(qū)域中，其最大的應(yīng)力集中于底層倉支撐板與側(cè)板處，最大值為35.125 MPa。整機結(jié)構(gòu)中的兩側(cè)板以及各層倉的支撐板都存在大面積的變形，其中底層倉支撐板中間區(qū)域的變形值最大為1.433 8 mm，整機結(jié)構(gòu)存在較大面積的變形量，需進一步進行整機優(yōu)化設(shè)計，從而提高整機的剛度。

圖5 總形變位移云圖

3.2 模態(tài)分析

對離網(wǎng)光伏儲能一體機進行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型［11］。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，判斷離網(wǎng)光伏儲能一體機的固有頻率與變壓器模塊的振動頻率是否一致或者在其范圍內(nèi)引起共振現(xiàn)象。

使用ANSYS Workbench仿真軟件，對離網(wǎng)儲能一體機進行模態(tài)分析，仿真求解計算后，提取其前6階固有頻率，前6階的固有頻率和振型變形情況，如表2所示，前6階振型變化如圖6所示。

表2 離網(wǎng)光伏儲能一體機前6階固有頻率與振型

由表2可知，離網(wǎng)光伏儲能一體機前6階固有頻率為31.008～58.038 Hz。由圖6可知，第1階振型整機側(cè)板左右發(fā)生較大的振動，其頂板、底層倉支撐板上下發(fā)生輕微的振動（圖6a）；第2階振型整機側(cè)板左右發(fā)生較大的振動（圖6b）；第3、4階振型相似，中間層以及上層倉支撐板上下振動（圖6c、d）；整機側(cè)板左右發(fā)生較大的振動以及頂板、底板、中間層支撐板上下振動（圖6e）；整機側(cè)板左右方向發(fā)生較大振動以及頂板、底板上下輕微振動（圖6f）。離網(wǎng)光伏儲能一體機的振源主要來源于變壓器模塊，其振動頻率為50～60 Hz。由此可知，離網(wǎng)光伏儲能一體機的前6階固有頻率與變壓器模塊的振動頻率較為接近，容易引起共振現(xiàn)象，需對離網(wǎng)儲能一體機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提高其固有頻率屬性，從而避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖6 離網(wǎng)光伏儲能一體機的前6階振型圖

4 優(yōu)化設(shè)計與分析

4.1 優(yōu)化設(shè)計

本文主要從以下兩個方面對離網(wǎng)光伏儲能一體機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計［12］。

（1）將離網(wǎng)光伏儲能一體機設(shè)計成雙層倉結(jié)構(gòu)，使得整機結(jié)構(gòu)高度縮減至460 mm，上層倉用于放置變壓器模塊與主控器模塊，下層倉用于放置儲能電池模塊。通過該設(shè)計使得整機結(jié)構(gòu)更加緊湊，最終優(yōu)化設(shè)計整機尺寸為540 mm×300 mm×460 mm。

（2）由于離網(wǎng)光伏儲能一體機整機振動較大，為了使得其整機結(jié)構(gòu)更加牢固，在整機內(nèi)部增加一個鋁合金框架作為支撐架，其鋁合金支撐架結(jié)構(gòu)如圖7所示?？紤]儲能電池模塊質(zhì)量較重，底層架加入兩根鋁合金方型材作為支撐加固作用，在上層倉支撐架與頂板支架上分別加入鋁合金方型材進行加固，周邊的鈑金件通過螺栓、螺釘以及角碼件與鋁合金框架緊固連接在一起。

圖7 鋁合金支撐架結(jié)構(gòu)

4.2 優(yōu)化后靜力學(xué)與模態(tài)分析

對優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲能一體機進行靜力學(xué)與模態(tài)仿真分析，經(jīng)材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件后，求解計算得到其優(yōu)化后的整機靜力學(xué)分析的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖、總形變位移云圖分別如圖8、9所示，整機模態(tài)分析的前六階固有頻率、振型分別如表3、圖10所示。

圖8 優(yōu)化后等效應(yīng)力云圖

圖9 優(yōu)化后整機結(jié)構(gòu)總形變位移云圖

表3 優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲能一體機前6階固有頻率

圖10 優(yōu)化后的離網(wǎng)光伏儲能一體機前6階固有頻率

由靜力學(xué)與模態(tài)分析結(jié)果可知，離網(wǎng)光伏儲能一體機經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，發(fā)生在底層倉支撐板上的最大位移變形量由1.433 8 mm減少至0.209 6 mm，最大應(yīng)力由35.125 MPa降低至12.013 MPa。相比優(yōu)化前，優(yōu)化后離網(wǎng)光伏儲能一體機的最大位移變形量減少了85.4%，最大應(yīng)力降低了65.8%，其前6階固有頻率提升至143.04～184.78 Hz之間，有效避開了振源變壓器的振動頻率50～60 Hz。表4結(jié)果表明，該設(shè)計大大提高了整機的剛度與強度。

表4 離網(wǎng)光伏儲能一體機優(yōu)化前后參數(shù)對比

5 小結(jié)

本文以離網(wǎng)光伏儲能一體機為研究對象，利用ANSYS Workbench有限元軟件對其整機結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)與模態(tài)分析，仿真分析發(fā)現(xiàn)，離網(wǎng)光伏儲能一體機的振動較大且與變壓器模塊振動頻率接近，易引起共振現(xiàn)象。以提高離網(wǎng)光伏儲能一體機的強度、剛度以及固有頻率為優(yōu)化設(shè)計目標，對整機模型進行優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化設(shè)計后的整機模型進行靜力學(xué)和模態(tài)分析仿真驗證。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后的整機模型強度、剛度和整機固有頻率得以大幅度的提高，從而有效地使得離網(wǎng)光伏儲能一體機與變壓器模塊避免發(fā)生共振現(xiàn)象，為離網(wǎng)光伏儲能一體機的優(yōu)化設(shè)計提供了一種方法和依據(jù)。