50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)荷載分析及仿真研究

楊雯慧 孫興漢 劉洋 張國勇 段楊龍

摘要：目前工程應用的定日鏡普遍存在支撐結(jié)構(gòu)復雜、強度低、維護困難、制作成本高等問題，這使得太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本高，降低了其競爭力。針對50 m2定日鏡在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應用，深入開展了其支撐結(jié)構(gòu)在抗風載、抗雪載下的受力分析。仿真計算結(jié)果表明：50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)具有更高的承載能力和穩(wěn)定性，有效提升了定日鏡的整體性能?；谑芰Ψ治鼋Y(jié)果提出了支撐結(jié)構(gòu)組件材料選型建議。研究成果不僅為定日鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)，也為太陽能熱發(fā)電技術(shù)的進一步發(fā)展提供了有力支持。

關鍵詞：定日鏡； 支撐結(jié)構(gòu)； 風載； 雪載； 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

中圖法分類號： TM615.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.041

0引 言

定日鏡作為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，其性能影響到整個系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性［1］。支撐結(jié)構(gòu)作為定日鏡的載體，不僅承受著風載、雪載等自然力的作用，還直接影響著定日鏡的跟蹤精度和穩(wěn)定性。然而，目前工程應用中普遍存在支撐結(jié)構(gòu)復雜、強度低、維護困難、制作成本高等問題，這使得太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本高，降低了其競爭力。設計不合理的支撐結(jié)構(gòu)可能會導致定日鏡在強風或大雪天氣下發(fā)生變形或破壞，進而影響到整個太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運行［2］。因此，對定日鏡支撐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，提升其承載能力和穩(wěn)定性，具有重要的工程實踐意義。

本文旨在基于受力分析，對50 m2定日鏡的支撐結(jié)構(gòu)進行抗風載及抗雪載的分析計算及仿真研究，以期為定日鏡支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)和實踐指導，推動太陽能熱發(fā)電技術(shù)的進一步發(fā)展。

1抗風載受力分析

在實際運行過程中，定日鏡面臨著復雜多變的工況條件，包括在不同風速下定日鏡面向太陽不同角度時的風載作用，積雪和融雪過程中的雪載影響［3］。這些工況參數(shù)直接影響著定日鏡支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和關鍵組件的選型與性能。

1.1工況參數(shù)

50 m2定日鏡鏡面由12塊子鏡組成，單面子鏡尺寸為2 277 mm×1 830 mm（長×寬），如圖1所示。支撐結(jié)構(gòu)主要由通梁、桁架梁、檁條、立柱組成。雙軸驅(qū)動組件包括回轉(zhuǎn)減速機及電動推桿，回轉(zhuǎn)減速機負責驅(qū)動定日鏡水平方位角，電動推桿負責驅(qū)動定日鏡俯仰高度角，兩者配合驅(qū)動定日鏡追逐太陽［4］，如圖2所示。基本風壓為202.5 N/m2（18 m/s），桁架梁為4條，定日鏡狀態(tài)為零位狀態(tài)（鏡面與水平方向垂直），子鏡為4 mm超白浮法玻璃，密度3 000 kg/m3。

1.2標準風壓計算

50 m2定日鏡的通梁作為一種連續(xù)性的支撐結(jié)構(gòu)，能夠有效分散并承受來自定日鏡的各種載荷，包括風載、雪載以及自重等。其連續(xù)性的特點使得整個結(jié)構(gòu)在受力時能夠保持較好的整體性和穩(wěn)定性，減少了因局部受力不均而導致的變形或破壞［5］。

桁架梁共4條，與通梁通過連接板連接，如圖3所示。桁架梁與通梁的搭接能夠形成一個更加穩(wěn)定、堅固的整體結(jié)構(gòu)，可有效增強結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，提高整個結(jié)構(gòu)的抗風、抗雪等能力。

目前市面上定型的定日鏡支撐結(jié)構(gòu)在設計時尚無規(guī)范可供參考，依據(jù)光伏支架結(jié)構(gòu)設計規(guī)程，計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，風荷載標準值應按照式（1）計算：

ωk=βzμsμzω0（1）

式中：ωk是風荷載標準值，kN/m2；βz是高度z處的風振系數(shù)；μs是風荷載整體體型系數(shù)；μz是風壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風壓。

風壓高度變化系數(shù)及風荷載整體體型系數(shù)可在GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中查詢［6］。當風振系數(shù)βz取1.2時，正風壓μz取1.3，負風壓μz取-1.6。由于50 m2定日鏡在90°工作狀態(tài)下鏡面最高點距離立柱底面距離約7.5 m，故風壓高度變化系數(shù)μz取1.0。

將參數(shù)代入可得：

正風壓時標準風壓為315.9 N/m2，

風載荷為15 795 N；

負風壓時標準風壓（負風壓）為388.8 N/m2，

風載荷為19 440 N。

1.3正風壓計算仿真

基于上述支撐結(jié)構(gòu)，對50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)進行簡化處理，模型如圖4所示。4條桁架約均分通梁長度，即L1=L2=L3=2 m。均分桁架間距能夠確保通梁受力均勻。當桁架均勻分布時，通梁上的受力點也會相應地均勻分布，從而避免了因局部受力不均而導致的結(jié)構(gòu)變形或破壞。這種均勻的受力分布也有助于提高通梁的整體穩(wěn)定性和承載能力。

每段受力計算如式（2）所示：

q1=q2=q3=F1/（L1+L2+L3）（2）

式中：F1是風荷載（正風壓）。計算得到F1=15 795 N，得每段受力大小2 632.5 N/m。

針對50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)，過大的彎矩可能會導致支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，甚至導致結(jié)構(gòu)失效［7］。因此，通過計算彎矩可以評估支撐結(jié)構(gòu)在承受各種載荷作用下的安全性，確保結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下不會發(fā)生破壞。由于在建立定日鏡支撐結(jié)構(gòu)模型時呈現(xiàn)均布載荷，最大彎矩通常出現(xiàn)在通梁的中點位置。彎矩可通過式（3）～（4）計算：

MA=－［2q1L31（L2+L3）+q2L32（L2+2L3）］16［L1（L2+L3）+L2（L3+34L2）］

+q3L33L216［L1（L2+L3）+L2（L3+34L2）］（3）

MB=－［q2L32+q3L33+4MAL2］8×（L2+L3）（4）

代入?yún)?shù)，計算得A點所受彎矩為-1 053 N·m；B點所受彎矩為-1 053 N·m

對支撐結(jié)構(gòu)進行受力分析后，通過式（5）～（8）可計算各點所受反支撐力：

FO=q1L312+MAL1（5）

FA=q1L12+q2L22－MAL1－MA－MBL2（6）

FB=q2L22+q3L32－MBL1－MB－MAL2（7）

FC=q3L332+MBL3（8）

通過參數(shù)代入計算，可得O點所受反力為2 106 N；A點所受反力為5 791.5 N；B點所受反力為5 791.5 N；C點所受反力為2 106.0 N。

結(jié)合上述參數(shù)計算結(jié)果，基于有限元分析軟件分別對支點A、支點B、兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）、通梁進行受力仿真，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

仿真結(jié)果顯示：中間桁架梁（支點A、支點B）最大應力為236.387 MPa，最大位移為2.93 mm。

兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）最大應力為91 MPa，最大位移為2.16 mm。

橫梁最大應力為148 MPa，Y方向位移約15.66 mm。

1.4負風壓計算仿真

在計算負風壓時，基于標準風荷載（負風壓），通過式（2）～（4）可計算出支撐結(jié)構(gòu)承受負風壓時的彎矩大小，通過式（5）～（7）可計算出支撐結(jié)構(gòu)所受反力。計算結(jié)果如表1所列。

結(jié)合上述參數(shù)計算結(jié)果，基于有限元分析軟件分別對支點A、支點B、兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）、通梁進行受力仿真，仿真結(jié)果如圖8～10所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知：中間桁架梁（支點A、支點B）最大應力為290.9 MPa，最大位移為3.37 mm。

兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）最大應力為111.8 MPa，最大位移為2.22 mm。

通梁最大應力為377.38 MPa，Y方向位移約24.51 mm。

綜合正風壓和負風壓時仿真結(jié)果可知，中間桁架梁（支點A、支點B）最大應力為290.9 MPa，最大位移為3.37 mm；兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）最大應力為111.8 MPa，最大位移為2.22 mm；通梁最大應力為377.38 MPa，Y方向位移約24.51 mm。

2抗雪載受力分析

雪載作為一種外部載荷，對定日鏡的結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)產(chǎn)生壓力。當定日鏡表面積雪時，積雪的重量會對鏡面和支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力。如果定日鏡的結(jié)構(gòu)設計不足以承受這些作用力，可能會導致結(jié)構(gòu)變形、損壞甚至坍塌，進而影響整個太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。進行抗雪載計算是確保定日鏡在雪天條件下安全穩(wěn)定運行的關鍵步驟。

基于50 m2定日鏡支撐結(jié)構(gòu)，計算參數(shù)中加入50 a雪壓值（150 N/m2），總雪壓載荷為

F1=150×50=7500N（9）

總載荷為

F=F1+F2+F3（10）

式中：F為總載荷；F1為雪壓；F2為檁條重力；F3為定日鏡重力，代入?yún)?shù)得F=15 147.5 N。

同理，基于上節(jié)中所述模型及公式分別計算支撐結(jié)構(gòu)的彎矩、所受反力，所得參數(shù)如表2所列。

基于上述計算參數(shù)，分別對中間桁架梁（支點A、支點B）、兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）、通梁通過有限元分析軟件進行受力仿真，結(jié)果如圖11～13所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知：中間桁架梁（支點A、支點B）最大應力為270.9 MPa；最大位移為2.85 mm。

兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）最大應力為111 MPa；最大位移為1.16 mm。

橫梁最大應力為104.9 MPa，最大位移4.79 mm。

在分析計算過程中，雪壓工況下立柱主要考慮其承受垂直方向的正壓力，而在垂直方向變形位移影響非常小，在此不考慮。

通過仿真，得知中間桁架梁（支點A、支點B）最大應力為270.9 MPa，兩側(cè)桁架梁（支點O、支點C）最大應力為111 MPa；通梁最大應力為104.9 MPa；最大位移約5.95 mm。

3結(jié) 語

針對50 m2定日鏡在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應用，深入開展了其支撐結(jié)構(gòu)在抗風載、抗雪載下的受力分析。通過仿真計算，得到了定日鏡支撐結(jié)構(gòu)在風載和雪載作用下的應力分布和位移情況，結(jié)果表明，該支撐結(jié)構(gòu)在承受自然力作用下表現(xiàn)出較高的承載能力和穩(wěn)定性，能夠滿足實際運行的要求。此外，基于受力分析結(jié)果，對支撐結(jié)構(gòu)組件材料的選型提出如下建議：

橫梁和立柱材質(zhì)建議使用Q295，其屈服強度≥295 MPa，抗拉強度390～570 MPa；桁架材質(zhì)建議使用Q460，其屈服強度≥460 MPa，抗拉強度550～720 MPa；檁條材質(zhì)建議使用Q295。

參考文獻：

［1］胡國武，陳維鉛.太陽能光熱發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.甘肅科技縱橫，2023（11）：20-25.

［2］譚小灣.光熱電站定日鏡技術(shù)及選型研究［J］.電工技術(shù)，2023（24）：54-56.

［3］趙明智，鄒露璐，張曉明，等.風載作用下太陽能發(fā)電元件表面壓力對沙塵沉降的模擬研究［J］.機械工程學報，2018，54（8）：192-201.

［4］肖婷婷，趙川川，王李波，等.基于ANSYS的定日鏡副梁參數(shù)優(yōu)化研究［J］.裝備制造技術(shù)，2023（1）：129-132，151.

［5］郎金權(quán)，王曉冬，莊善相，等.通梁式排架剛性支撐結(jié)構(gòu)受力分析研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（增2）：411-414.

［6］汪新金，王順波，邱冶.雙坡光伏板風荷載特性試驗研究［J］.太原理工大學學報，2024（4）：1-9.

［7］莊泳浩.既有立交橋搶險臨時支撐結(jié)構(gòu)設計及分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2021，38（4）：120-124.

（編輯：胡旭東）