光伏支架最优跨距仿真分析

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 朱锐 刘刚

0 引言

固定式光伏电站支架系统的东西向跨距是支架设计的重要部分。跨距与支架系统前后立柱选型和数量、基础设计和数量、支架横梁的选型等息息相关。计算太阳能组件阵列支架结构强度时，最大的荷载一般是风荷载。本文以某一光伏电站为例，利用Fluent 6.3平台计算单块组件所受极限风荷载，再利用ANSYS软件计算支架横梁强度，得出合理的支架系统跨距。通过此算例，提出普适支架系统跨距的合理化建议。

1 组件风荷载仿真计算

Fluent软件是目前得到设计者普遍认可的CFD软件，具有丰富的数学模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、涡轮机设计等领域有广泛应用。Fluent软件包含多种求解器，可模拟从不可压缩到高度可压缩流范围内的各种复杂流场[1]。

几何模型：组件倾角36°，组件尺寸1.58 m×0.8 m×0.05 m，离地高度为0.6 m，组件中心离入口3 m(入口：仿真计算流场入口的边界)[2]。支架系统对风荷载影响较小，以单块组件建立模型进行风荷载计算。流场截面满足阻塞比小于3%的仿真计算要求[3]。

计算模型：双方程k-e RNG模型，使用基于压力的隐式求解器[4]。为了得到较好的计算结果，组件边界层网格加密，流场尾流区网格加密，如图1所示。

设计风速：37 m/s。

图1 计算模型

图2 组件受力坐标系

迭代运算收敛后，计算结果为：

单块组件受力Fx=1593 N，Fy=-5.4 N，Fz=0 N，My=260 Nm。

组件流场区域速度分布如图3所示。组件受力主要是垂直于组件的正压荷载，组件侧向荷载较小。单块组件自重15 kg。考虑风荷载、雪荷载等，以1.2倍的风荷载作为总体外部荷载对横梁进行计算，单块组件最大总荷载设为：

图3 组件流场区域速度分布图(截面)

2 支架横梁强度计算

支架东西跨距与横梁的强度计算紧密相关，本文使用大型有限元软件ANSYS进行横梁强度计算。ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场、声场等分析于一体的大型通用有限元分析软件，在结构强度计算中有广泛应用[5]。

在本文光伏电站支架设计中，横梁跨距3 m，组件双排竖向排布。根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》可得：

容许挠度fmax=跨距H/250=3000/250=12 mm；

容许应力σb=235 MPa。

支架横梁选用目前使用最为广泛的C型槽钢，截面形状见图4。下文中HM-41、HM-52、HM-62分别代表H为41 mm、52 mm、62 mm的C型槽钢，其他尺寸不变。在光伏支架中，横梁为连续梁结构，因此，只需分析一个跨距的横梁受力即可。在ANSYS中建立一个跨距的HM-41横梁面单元模型，设置模型的面厚度为2 mm，槽钢弹性模量为2×1011Pa，泊松比0.3，如图5所示。

组件宽0.8 m，一个跨距内光伏组件数目为：(2×3)/0.8=7.5，取 8。

图4 C型槽钢截面示意图

图5 HM-41横梁ANSYS模型

8块组件安装在2根横梁上，每根横梁有2个面受力，受力面宽为0.014 m。横梁所受面荷载为：

加载此荷载，求解结果见图6。仿真计算结果为：f=16.8 mm ≥ fmax；σ =514 MPa ≥ σb。最大挠度和最大应力均不满足设计要求。

图6 HM-41横梁求解结果

建立HM-52模型，跨距3 m，加载同样荷载，求解结果见图7。仿真计算结果为：f=7.9 mm≤fmax；σ=199 MPa≤σb。最大挠度和最大应力均满足设计要求。

图7 HM-52横梁仿真结果

建立HM-62模型，跨距3 m，加载同样荷载，求解结果见图8。仿真计算结果为：f=5.2 mm≤fmax；σ=163 MPa≤σb。最大挠度和最大应力均满足设计要求。

图8 HM-62横梁仿真结果

3 不同跨距横梁强度计算

利用ANSYS软件，另外再建立跨距分别为2 m、2.5 m的HM-41模型，跨距为3.5 m的HM-52模型，跨距为3.5 m、4 m的HM-62模型，进行37 m/s的风荷载强度计算，计算结果见表1。表中，超出支架设计要求的项目用红色字体表示。

表1 不同跨距横梁强度计算结果

由表1可知，设计风速为37 m/s时，HM-41作为横梁，跨距最大可设计为2 m；HM-52作为横梁，跨距最大可设计为3 m；HM-62作为横梁，跨距最大可设计为3.5 m。可以说，设计风速和横梁选型决定了支架系统的东西向最优跨距大小。

4 小结

目前光伏电站设计中，一般设计风速为37 m/s。在满足风荷载要求的前提下，如何选择横梁型号、支架跨距，以达到支架使用钢材量少、总体成本低是一个值得深入研究的问题。本文的仿真计算结果表明：使用HM-52作为横梁、跨距3 m是一个好的设计方案，支架安全系数较高。若使用HM-62作为横梁，跨距可选择3.5 m，但支架安全系数较低，最大挠度达到了10.2 mm。跨距在3 m以上时，要达到相同支架安全系数，需消耗更多钢材量。因此，我公司承建的大唐共和、大唐红寺堡、航天机电、武威等项目支架跨距均为2.8 m，乌兰项目支架跨距为3.1 m，均约为3 m。

根据本文仿真计算结果，设计风速为37 m/s时，综合支架和施工的总成本，建议在光伏电站设计中选择3 m的支架跨距。如果设计风速增大或需要更高的安全系数，可采用增大横梁型号和略微减少跨距的方法。此结论对光伏支架设计提供一定理论支持。

[1] (日)太阳光发电协会. 太阳能光伏发电系统的设计与施工[M]. 北京: 科学出版社, 2006, 13－72.

[2] GB50797-2012, 光伏发电站设计规范[S].

[3] 何惧, 朱锐, 王建勃. 光伏电池板风荷载数值模拟计算[J].太阳能, 2013, (16): 56－58.

[4] 韩占忠. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2008, 14－150.

[5] 张应迁, 张洪才. ANSYS有限元分析从入门到精通[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010, 125－163.