独立柱式光伏支架结构关键设计参数敏感性分析_贾小刚.pdf
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1、2023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期:2023-02-27作者简介:贾小刚(1984),男,硕士,研究生,高级工程师,主要从事新能源发电方面工作。通讯作者:贺正兴(1990),男,硕士,研究生,工程师,主要从事新能源发电方面工作。独立柱式光伏支架结构关键设计参数敏感性分析贾小刚1贺正兴2杨伟华2(1福州海峡发电有限公司福建福州3500012福建省水利水电勘测设计研究院有限公司福建福州350001)摘要以云南某光伏发电项目为例,基于ABAQUS软件开展独立式光伏支架结构强度和变形分析,并研究构件截面尺寸的调整对主控和次控因素的影响。通过分析表明,立柱柱顶变
2、形为主控因素,斜梁的强度为次控因素;立柱截面长度调整对自身变形影响最大,壁厚影响最小;斜梁截面长度对自身强度影响最大,壁厚影响最小;其他构件截面尺寸的调整对立柱柱顶变形影响小于0.5%,而立柱横截面长度的调整对斜梁强度的影响最大,檩条横截面长度的调整对斜梁强度的影响最小。关键词光伏支架独立柱式有限元分析斜渠强度立柱柱顶变形中图分类号:TK514文献标识码:A文章编号:1672-9064(2023)03054040引言近年来我国光伏市场发展迅猛。2022年110月,我国新增装机同比增长98.7%,达到了58 GW,超过2021年新增装机量的历史最高纪录。截至目前,我国30省(区、市)已明确“十四
3、五”期间风光装机规划。目前公开信息显示,其中26个省(区、市)光伏新增装机规模超406.55 GW,未来4 a新增355 GW。2022年6月,国家发展改革委等九部委联合印发的“十四五”可再生能源发展规划提出,加快推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电太阳能发电基地建设1。在光伏电站建设中,固定式光伏支架成本较低、施工简便、适应性强,是应用最为广泛的一类,其结构可靠性直接影响光伏电站的安全运行。国内外研究者针对固定式光伏支架的荷载响应进行了有益研究,主要包括以下2个方面:针对支架进行荷载响应分析和结构优化设计;研究者从材料的角度探究了支架的优化设计2。张亮等2研究了固定式光伏支架可承受载荷
4、有限元分析,通过有限元模拟,确定支架在正常使用极限状态下可承受的载荷,然后分析探究横梁间距、立柱数量、前后立柱间距对可承受荷载的影响;黄华等3研究固定式光伏支架的承载能力及破坏形态;杨成等4使用有限元或解析方法对复合材料支架进行了受载分析,基于应力和挠度结果验证了复合材料光伏支架应用的可行性,并指出复合材料支架的耐久性和轻量化优势。目前,针对独立柱式光伏支架结构的研究偏少,特别是光伏支架用钢量在工程总造价中占比相对较高,支架结构用钢量的优化对工程造价的影响较大。本文针对独立柱式光伏支架结构,基于有限元模拟方法,研究影响独立柱式光伏支架结构整体强度和变形的主控因素,并分析檩条、斜梁、立柱和斜撑等
5、构件截面尺寸调整对主控因素的影响;同时重点探究檩条、斜梁、立柱截面尺寸变化对各自强度或变形的影响,为后续工程建设中独立柱式光伏支架结构工程量优化提供一定指导。1工程概况云南昆明某集中式光伏发电项目采用独立柱式光伏支架结构,具体独立式光伏支架结构如图1所示。光伏支架结构由檩条、斜梁、立柱和斜撑构成,组成214的光伏方阵。光伏支架上部布置有550 Wp光伏组件28块,单个光伏组件尺寸规格为2 256 mm1 133 mm35 mm,组件重量为32.3 kg,每2块组件间距为20 mm,光伏组件安装倾角为25。支架选用Q235材质矩形管,214光伏组件方阵各构件的规格如表1所示。光伏组件在实际运行过
6、程中受到风荷载、雪荷载和光伏板及构件自重的作用,考虑到各载荷分项系数和组合系数5,得到顺风工况下各类型载荷值如表2所示。2有限元模拟与分析2.1有限元模型光伏支架整体有限元模型图如图2所示。光伏组件为面板结构,采用S4R壳单元。在计算过程光伏面板仅为传力结构,不作实际分析,单元尺寸设置为100 mm,划分7 470个单元;光伏支架选用B31梁单元,单元长度 为5 mm,共 划分19 664个单元。光伏支架结构加载方式及边界约束如图3所示,光伏组件面板上部受到垂直于面板的风荷载、竖直向下的雪荷载及结构本身自重的作用,光伏支架立柱底部设置全约束。2.2结构强度和变形分析根据光伏发电站设计规范(GB
7、507972012)6中3.2节规定,受弯构件的挠度允许值为L/250,对悬臂梁,单层钢支架结构的柱顶位移不应大于柱高的1/60。计算得到光伏支架结构有限元计算结果如图4所示,其中强度结果如图4(a)所示,变形结果如图4(b)所示。各构件强度和变形分析结果7如表3所示。清洁能源542023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图2光伏支架整体有限元模型(含光伏组件)图3光伏支架结构加载方式及边界约束示意图图1独立柱式光伏支架布置图(单位:mm)由 表3可 知,光 伏支 架 结构 整 体 结 构 应 力 最 大 值 为103 MPa,位于中部斜梁两檩条交叉位置,安全系数为
8、1.99;支架结构整体结构最大变形为14.3 mm,位于立柱柱顶位置,安全系数为1.9。通过计算结果表明,独立柱式光伏支架结构设计主控因素为立柱柱顶变形,次控因素为斜梁强度。2.3主构件横截面尺寸调整对主次控因素敏感性分析通过 光优发电站设计规范(GB 507972012)3.2节可知,影响光伏支架结构设计的主控因素为立柱柱顶位移,次控因素为斜梁的强度。现考虑在结构布置不变的情况下,探究构件截面尺寸调整对主次控因素的影响,主要通过以下手段实现。以前述结构布置为基准,分别调整各构件横截面的壁厚、书书书表 摇 光伏组件方阵各主要构件规格表名称材质规格数量 根檩条 斜梁 立柱 上斜撑 下斜撑 书书书
9、表 摇顺风工况下各类型载荷值载荷类型标准值()分项系数组合系数设计值()风载荷 雪荷载 结构自重通过有限元模型施加图4光伏支架结构变形计算结果清洁能源552023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK(下转第77页)图8非斜梁构件用钢量变化率-斜梁强度变化率敏感性图书书书表 摇支架结构强度及变形校核结果类型强度分析最大应力允许值最大应力位置安全系数变形分析最大变形允许值最大变形位置安全系数檩条 中部檩条与斜梁交叉位置中部檩条跨中位置 斜梁中部斜梁中跨中位置中部斜梁跨中位置立柱 中部立柱底部位置中部立柱顶部位置 上斜撑 中部斜撑与立柱交叉位置中部斜撑跨中位置下斜撑 中部斜撑
10、与立柱交叉位置中部斜撑跨中位置长度和宽度,使得该构件单位兆瓦用钢量分别改变-20%、-10%、+10%、+20%,计算得到立柱柱顶位移的变化率、斜梁强度的变化率。然后以各构件单位兆瓦用钢量变化量为X轴,以立柱柱顶位移变化率、斜梁强度变化率为Y轴绘制敏感性曲线图。曲线斜率越大则说明该不确定性因素越敏感,即该构件横截面尺度的调整对主次控因素的影响越大。绘制单位兆瓦立柱用钢量变化率-立柱柱顶位移变化率敏感性图(图5),绘制非立柱构件用钢量变化率-立柱柱顶位移变化率敏感性图(图6),绘制单位兆瓦斜梁用钢量变化率-斜梁强度变化率敏感性图(图7),绘制非斜梁构件用钢量变化率-斜梁强度变化率敏感性图(图8)
11、。由图5可知,立柱横截面长度调整对自身柱顶位移影响最大,宽度次之,壁厚影响最小。由图6可知,非立柱构件横截面尺度调整对立柱柱顶位移不超过0.5%,几乎无影响,这主要是因为立柱柱顶位移主要是由风荷载、雪荷载和光伏板自重共同作用引起的,檩条、斜梁和斜撑用钢量改变导致结构自重的变化量相对于风荷载等载荷作用是比较小的。由图7可知,斜梁横截面长度调整对自身强度影响最大,宽度次之,壁厚影响最小。由图8可知,非斜梁构件中立柱横截面长度的调整对斜梁强度的影响最大,檩条横截面长度的调整对斜梁强度的影响最小。3结论本文采用有限元模拟方法,分析独立柱式光伏支架关键设计参数敏感性分析,主要结论如下。图5单位兆瓦立柱用
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