聚光式太阳能追踪发电装置支撑结构强度校核

上海太阳能科技有限公司 ■ 陈国良 孙丽兵 张丽莹 陈素莹

0 引言

太阳能作为一种分布广泛的清洁能源正越来越多地被开发利用。其中，将太阳能转化为电能的光伏发电技术使用较为普遍。由于太阳能的能量分散、最佳能量接收角度在一天当中随着太阳方位不断变化，传统的固定式太阳能发电装置的能量利用效率较低。相比之下，近年来出现的聚光式太阳能追踪发电系统很好地解决了以上问题。这一系统使用聚光板对阳光进行反射，将太阳能汇聚到面积较小的光伏组件上，节省了太阳电池的用量；配备运动装置，能根据太阳高度角随时调整聚光板角度，使其随时处于最佳能量接收角度，从而提高发电效率[1]。

在结构强度方面，由于聚光式太阳能追踪发电系统使用的聚光板面积较大，导致其自重和风、雪载荷也较大；由于角度的变化，其载荷组合情况较为复杂，因此对其支撑结构强度提出了更加严格的要求。目前我国尚未有与之对应的设计规范。本文以某聚光式太阳能追踪发电装置为例，参考相关技术规范，利用有限元结构分析方法，对其支撑结构的强度进行分析校核。

1 聚光式太阳能追踪发电装置简介

聚光式太阳能追踪发电装置由光伏组件、驱动装置、聚光板和支撑结构组成。聚光板和光伏组件固定在支撑结构上，阳光经过聚光板反射汇聚于光伏组件处。驱动装置带动支撑结构运动以根据太阳高度调整聚光板的角度。本文研究对象的结构如图1所示，装置总长12 m，横梁宽2.4 m，立柱高2 m。共设有5根立柱和8根横梁，6组聚光板和光伏组件通过光轴固定在横梁上，在驱动装置的带动下，可在±75°范围内转动。整体结构中除局部使用了加强材料外，材料均为Q235-B碳素结构钢。

结构性能设计指标和环境载荷要求为：1)基本风压0.50 kN/m2；2)基本雪压0.10 kN/m2；3)基本气温-22～34 ℃。

图1 聚光式太阳能追踪发电装置结构示意图

2 设计载荷和工况的确定

根据结构分析的一般流程，结构分析应首先确定结构在寿命周期内可能遭遇到的最危险的静态和动态载荷组合，之后根据适当的内力分析方法求得结构的应力和变形响应，最后根据适当的校核标准对结构强度进行评估[2]。因此，确定设计载荷在结构设计和校核中的作用十分关键。

本文研究的聚光式太阳能追踪发电系统支撑结构主要承受以下载荷：1)光伏组件、聚光板和支撑结构的重力载荷；2)冬季作用在结构上的雪载荷；3)作用在结构上的风载荷。以上3种载荷中，重力载荷属于永久载荷，雪载荷和风载荷属于可变载荷。风、雪载荷受环境和时间影响，带有随机特征，准确预报其寿命中的最大值较困难，在工程中不易实现。因此，在实际应用中通常使用相关规范中的经验值作为环境载荷的设计值。

目前，我国尚没有针对太阳能发电装置支撑结构制定专门的规范。本文根据研究对象的结构和功能特点，选择我国GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》[3]确定结构校核的载荷设计值。

2.1 风载荷

垂直于聚光板表面上的风载荷标准值，按照GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》第8章8.1.1-1公式进行计算：

式中，wk为风载荷标准值，kN/m2；βz为高度z处的风振系数，取βz=1.0；μs为风载荷体型系数，按照8.3.3中突出构件的计算方法，取μs=-2.0；μz为风压高度变化系数，μz=1.09；w0为基本风压，kN/m2，w0=0.50 kN/m2。

2.2 雪载荷

垂直于聚光板水平投影面上的雪载荷标准值按照GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》第7章7.1.1公式进行计算：

式中，sk为雪载荷标准值，kN/m2；μr为屋面积雪分布系数，随角度变化，取值见GB 50009-2012表7.2.1；s0为基本雪压，kN/m2，s0=0.10 kN/m2。

2.3 永久载荷sG

永久载荷包括聚光板、光伏组件和支撑结构的自重，按照结构构件的设计尺寸和材料单位体积的自重计算确定。

2.4 载荷组合sd

本文研究的太阳能追踪发电装置的上部结构可在±75°范围内进行运动，其载荷组合情况随着其姿态发生变化，其结构受力特征也将有明显区别，因此无法直接获得最危险的受力状态。考虑载荷的对称性，校核时在0°～75°范围内每隔15°进行一次结构校核，共6种计算工况。

根据GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》第3章载荷组合的规定，各工况下强度校核的载荷组合见表1。

表1 各工况载荷组合

3 有限元模型建立

根据各工况下支撑结构的位置，使用MSC Patran软件建立6组有限元模型。根据结构构件的受力特点，在模型中使用梁单元模拟横梁、主梁、立柱、光轴；光伏组件、小型连接构件等对结构整体强度影响较小，建模中省略了其结构，仅以零维的质量单元模拟其重量。材料均为Q235-B低碳钢。原有结构中，由于中央立柱仅起固定传动装置的作用，不应承受结构载荷，因此模型当中仅建出4根立柱。图2给出了0°工况下的有限元模型示意图。

图2 支撑结构的有限元模型

1)载荷：重力载荷通过惯性力施加，聚光板上的风、雪载荷使用集中力的方式加在光轴上。

2)边界条件：支柱下端与土壤接触处，使用固定位移约束，限制所有平动和转动自由度。

4 结构计算结果

使用MSC Nastran软件进行求解，并使用MSC Patran软件对结果进行后处理，输出支撑结构工作状况下的应力水平，计算结果见表2。参照GB 50017-2003《钢结构设计规范》[4]，采用von-Mises屈服准则，选取215 Mpa为许用应力衡准，对各工况下结构应力水平进行校核分析，校核结果全部符合衡准要求。

从表2可看出，在75°情况下，支撑结构承受的工作应力最大，为142.1 Mpa。最大工作应力发生在立柱的根部，根据理论分析，由于此时支撑结构主要受到侧向的风载荷作用，立柱承受较大的弯曲载荷，因此弯曲应力应在立柱根部达到最大。有限元计算结果与理论分析结果一致。

图3为这一工况下的工作应力云图。在0°～45°的4个工况当中，最大工作应力均出现在横梁与主梁交汇处。

图3 支撑结构的应力云图(75°工况)

5 结论

本文使用有限元方法对某聚光式太阳能追踪发电装置支撑结构的强度进行了校核。首先通过查阅相关规范，确定了结构校核的计算工况和设计载荷；之后利用MSC Patran/Nastran软件对支撑结构的整体强度进行了有限元建模和计算分析，得到的计算结果能正确地反映出支撑结构在不同工况下的受力特征；最后，根据钢结构强度规范对研究对象的结构强度进行了校核。主要结论如下：

1)有限元计算结果表明，结构在聚光板与地面呈75°的工况下产生最大的工作应力。最大应力出现在立柱与土壤交界处，为142.1 Mpa。这一应力主要由于风载荷横向作用于支撑结构，在立柱根部产生较大的弯曲应力所致。因此，在设计中应尽量减小立柱高度，并选用合适的立柱截面尺寸。

2)在聚光板与地面呈0°～45°工况下，最大的工作应力发生在横梁根部，由风、雪及结构自重作用产生，同样以弯曲应力为主。在结构设计中应同样予以关注，选用合适的横梁截面形状和尺寸。

3)研究对象的所有构件在各工况下的强度均满足要求，校核结果合格。

[1] 童靖宇， 杨亦强. 聚光式空间太阳能电源系统[J]. 航天器工程 ， 2012， 21(5)： 103 － 109.

[2] 王焕丁 ， 祁皑 . 结构力学 [M]. 北京 ： 清华大学出版社 ， 2006.

[3] GB 50009-2012， 建筑结构载荷规范[S].

[4] GB 50017-2003， 钢结构设计规范[S].