大型光伏電站支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
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陽(yáng)光工匠
發(fā)布日期： 2022.10.24
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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(diǎn)考慮問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的條件下盡可能地節(jié)約鋼材，是設(shè)計(jì)中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將以本公司常用光伏支架為研究對(duì)象，結(jié)合工程實(shí)際，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，使用有限元分析軟件ANSYS及SAP2000，對(duì)支架結(jié)構(gòu)的部分零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guó)開(kāi)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(shí)數(shù)是東部地區(qū)的兩倍左右，甚至超過(guò)2000小時(shí)。而西部地區(qū)遍布的大片荒漠化土地，對(duì)于需占地面積較大的光伏電站和光伏電站運(yùn)營(yíng)企業(yè)而言，具有較大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與吸引力。
一般在一個(gè)大型太陽(yáng)能發(fā)電站項(xiàng)目中，建安成本占光伏項(xiàng)目總投資的21%左右，如果選用的支架不合適，會(huì)增加加工成本、安裝成本及后期養(yǎng)護(hù)成本。因此，對(duì)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(jiǎn)介
光伏支架為超靜定結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用簡(jiǎn)單的手算等靜力分析無(wú)法得出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)在普遍采用電算方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算光伏支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性時(shí)普遍使用的軟件為PKPM和SAP2000。PKPM操作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)效率較高，但該軟件沒(méi)有適用于光伏支架的截面，計(jì)算時(shí)只能用近似的截面代替，其加載方式也不是很合理，計(jì)算結(jié)果并不能讓人滿意；SAP2000也有一定的缺點(diǎn)，對(duì)支架節(jié)點(diǎn)等細(xì)部，其無(wú)法進(jìn)行受力分析。ANSYS在結(jié)構(gòu)計(jì)算上功能強(qiáng)大，它能夠形象而準(zhǔn)確地模擬出支架零部件中實(shí)體結(jié)構(gòu)的細(xì)部受力特征，進(jìn)而計(jì)算出不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2支架優(yōu)化設(shè)計(jì)
主要對(duì)支架的部分構(gòu)件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化。經(jīng)過(guò)用鋼量統(tǒng)計(jì)，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(duì)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(jì)算方便，在SAP2000中對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元分析時(shí)，常將支架橫梁建模成簡(jiǎn)單的C型鋼形式，這樣計(jì)算結(jié)果就與真實(shí)結(jié)果有所出入。為準(zhǔn)確計(jì)算出橫梁在不同工況下的應(yīng)力，在SAP2000中對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算后，再在ANSYS中對(duì)實(shí)際的冷彎內(nèi)卷C型鋼進(jìn)行有限元分析，通過(guò)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(shí)，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，將最不利組合時(shí)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(qiáng)度、剛度結(jié)果，冷彎內(nèi)卷C型鋼強(qiáng)度結(jié)果。
由計(jì)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型鋼的承載能力更好。簡(jiǎn)化的C型鋼最大應(yīng)力（強(qiáng)度）為179MPa，最大應(yīng)變（剛度）為6.83mm；冷彎內(nèi)卷C型鋼的最大應(yīng)力（強(qiáng)度）為153Mpa，最大應(yīng)變（剛度）為6.2mm。強(qiáng)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(xiàng)目普遍采用的底座單個(gè)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(shí)需要大量使用。如何在保證安全可靠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(jì)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(yàn)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(qiáng)度結(jié)果。為使計(jì)算方便，采用底座的1/2模型進(jìn)行分析，加載時(shí)施加了對(duì)稱約束。
由計(jì)算結(jié)果可知，底座的最大應(yīng)力（強(qiáng)度）為103MPa，小于Q235鋼的許用應(yīng)力235/1.2=196MPa，最大變形為0.1mm，符合規(guī)范要求，因此，重新設(shè)計(jì)的底座結(jié)構(gòu)是安全的。
3總結(jié)
光伏支架在整個(gè)光伏電站的投資建設(shè)中占了很大一部分，因此對(duì)它進(jìn)行優(yōu)設(shè)計(jì)很有必要的。同時(shí)我們也應(yīng)該看到，目前市場(chǎng)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(jì)時(shí)切實(shí)保證其在25年內(nèi)能安全使用。在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中列出的各項(xiàng)荷載及對(duì)它們進(jìn)行最不利荷載組合，這樣才能保證結(jié)構(gòu)的安全。
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