大型光伏電站支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究

時間：2022-11-21作者：深圳市華陽綠色建筑節(jié)能有限公司瀏覽：60

隨著西部 光伏電站的大規(guī)模建設(shè)及電站收益的減少，光伏支架成本控制成為光伏電站建設(shè)中重點考慮問題。如何實現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的條件下盡可能地節(jié)約鋼材，是設(shè)計中面臨的關(guān)鍵問題。本文將以本公司常用光伏支架為研究對象，結(jié)合工程實際，從設(shè)計角度出發(fā)，使用有限元分析軟件ANSYS及SAP2000，對支架結(jié)構(gòu)的部分零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。

引言

由于西部地區(qū)光照資源豐富，以及光伏發(fā)電成本太高，中國開始在西部地區(qū)進(jìn)行大型光伏并網(wǎng)電站的建設(shè)。西部地區(qū)尤其是西北地區(qū)的年有效光照小時數(shù)是東部地區(qū)的兩倍左右，甚至**過2000小時。而西部地區(qū)遍布的大片荒漠化土地，對于需占地面積較大的光伏電站和光伏電站運營企業(yè)而言，具有較大的市場競爭力與吸引力。

一般在一個大型太陽能發(fā)電站項目中，建安成本占光伏項目總投資的21%左右，如果選用的支架不合適，會增加加工成本、安裝成本及后期養(yǎng)護(hù)成本。因此，對光伏電站支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究具有較重要的意義。

1光伏電站支架結(jié)構(gòu)及優(yōu)化方式

1.1大型光伏電站支架結(jié)構(gòu)

目前西部地面光伏電站的支架普遍采用Q235-B鋼。綜合多種因素考慮，西部地面光伏電站建設(shè)一般采用固定式支架。目前普遍采用的固定式支架主要由橫梁、斜梁、前后支腿、斜撐組成，受力性能良好。

1.2 優(yōu)化方式簡介

光伏支架為**靜定結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，采用簡單的手算等靜力分析無法得出準(zhǔn)確的計算，現(xiàn)在普遍采用電算方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計算光伏支架的強度、剛度、穩(wěn)定性時普遍使用的軟件為PKPM和SAP2000。PKPM操作簡單，設(shè)計效率較高，但該軟件沒有適用于光伏支架的截面，計算時只能用近似的截面代替，其加載方式也不是很合理，計算結(jié)果并不能讓人滿意；SAP2000也有一定的缺點，對支架節(jié)點等細(xì)部，其無法進(jìn)行受力分析。ANSYS在結(jié)構(gòu)計算上功能強大，它能夠形象而準(zhǔn)確地模擬出支架零部件中實體結(jié)構(gòu)的細(xì)部受力特征，進(jìn)而計算出不同工況下的結(jié)構(gòu)強度。

2支架優(yōu)化設(shè)計

主要對支架的部分構(gòu)件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化。經(jīng)過用鋼量統(tǒng)計，得出支架橫梁和前后立柱下方的底座用鋼量較大，因此著重對這兩部分進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化。

2.1 支架橫梁有限元分析

為使力學(xué)計算方便，在SAP2000中對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元分析時，常將支架橫梁建模成簡單的C型鋼形式，這樣計算就與真實有所出入。為準(zhǔn)確計算出橫梁在不同工況下的應(yīng)力，在SAP2000中對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算后，再在ANSYS中對實際的冷彎內(nèi)卷C型鋼進(jìn)行有限元分析，通過分析結(jié)果，可判定橫梁結(jié)構(gòu)是否安全。

取一根4720mm橫梁進(jìn)行有限元分析。光伏支架在某地使用時，受到了自重、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載、地震等作用，將這些荷載進(jìn)行組合，將較不利組合時的荷載換算成面荷載，施加在橫梁上。得出了兩種橫梁在相同外荷載作用下的強度、剛度結(jié)果，冷彎內(nèi)卷C型鋼強度結(jié)果。

由計算結(jié)果可知，在荷載、約束等外部條件相同的情況下，冷彎內(nèi)卷C型鋼的承載能力較好。簡化的C型鋼較大應(yīng)力（強度）為179MPa，較大應(yīng)變（剛度）為6.83mm；冷彎內(nèi)卷C型鋼的較大應(yīng)力（強度）為153Mpa，較大應(yīng)變（剛度）為6.2mm。強度都小于Q235鋼的許用應(yīng)力235/1.2=196MPa，剛度也滿足規(guī)范要求。

2.2 底座有限元分析

底座是連接光伏支架方形立柱和圓管地樁的零件，目前我方項目普遍采用的底座單個重量大約為2.6Kg。支架結(jié)構(gòu)中，底座是重要的受力部位，且安裝支架時需要大量使用。如何在保證的前提下將其重量適當(dāng)減小，以達(dá)到降低成本的目的，值得研究。經(jīng)初步分析，擬將底座的高度由150mm減小為120mm，厚度由8mm減小為6mm，寬度也適當(dāng)減小。

現(xiàn)將新設(shè)計的底座在ANSYS中進(jìn)行有限元分析，以確定其結(jié)構(gòu)是否安全。根據(jù)地樁拉拔力的經(jīng)驗值，取20KN作為底座受到的豎直向上的力，并將其換算成面荷載施加在底座的螺栓孔位置。

得出了底座的強度。為使計算方便，采用底座的1/2模型進(jìn)行分析，加載時施加了對稱約束。

由計算結(jié)果可知，底座的較大應(yīng)力（強度）為103MPa，小于Q235鋼的許用應(yīng)力235/1.2=196MPa，較大變形為0.1mm，符合規(guī)范要求，因此，重新設(shè)計的底座結(jié)構(gòu)是安全的。

3總結(jié)

光伏支架在整個光伏電站的投資建設(shè)中占了很大一部分，因此對它進(jìn)行優(yōu)設(shè)計很有必要的。同時我們也應(yīng)該看到，目前市場的大電站支架結(jié)構(gòu)較單一，優(yōu)化空間有限，應(yīng)在優(yōu)化設(shè)計時切實保證其在25年內(nèi)能安全使用。在設(shè)計時，要充分考慮《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中列出的各項荷載及對它們進(jìn)行較不利荷載組合，這樣才能保證結(jié)構(gòu)的安全。


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