基于ANSYS的光伏平单轴跟踪支架性能分析及优化设计

金山职业技术学院 徐 萌 金海新源电气江苏有限公司 蔡 雄

引言

随着我国一些高性能的计算机工作站技术涌现和先进的数值测量实时检测试验技术手段的发展与普及，数值仿真以其所具有的应用范围广、方便快捷、灵活性好、节约了人力物力、安全性好、并且能够实时显示各类结构内部状态等特点而被广泛应用于航空飞行、汽车工业、生物医疗、桥梁、建筑、电子产品、轻型机器、微电子系统、运动仪表等领域的规划与设计。

目前常见的数值仿真有限元分析软件可以广泛应用于对各种空间结构的位移场、应力学场、温度学场、电磁学场等进行数值仿真和分析，弥补了我们在设计和进行手算分析时不能正确考虑到这种结构实际效果的缺点。太阳能光伏支架主要指的是一种利用发电系统光伏模块板系统二维次梁、主桥和支撑柱共同组合而成的空间性构件，支架与光伏模块板之间通过扣夹作用来传递负载。它作为一个重要的机械支撑零部件，是其中必不可少的部分。

新型能源通常都是在我国的边远或者更多的地区，或者说也就是像海岛这样环境复杂的地区，需要经过非常困苦的物料搬送和使用过程，才可以准确地到达所需要的设备。新时期现代的各种储能设备一般是直接通过选择在一个储能机柜里面的位置来对其他储能设备的单台进行安装，设备的每个重量都可以说是比较大，有些情况下将储能设备的每个单台的重量控制在1.5t 左右。要求与其相配套的箱体必须具有良好的静负荷及可以承受的动载负荷。

在其吊装、运输、安装、耐震等各个环节对于其技术性质的要求都应该是极高的，这种类型机柜具体的强度将会直接影响该种设备生产和使用过程中的安全性。目前，关于电力储能装置在国内应用的研究和推广仍然还处于试点阶段，还没有一种是针对电力储能装置而进行开发研制出来的重载、耐震式机柜。一般都是为了选择一些电力行业经常会采用的机柜种类，例如c 型型材、9折型材、16折型材、但这几种电力行业经见到这些机柜的最高抗震承载力并不可能大于或超过lt，如果所需要采用的环保抗震承载力的要求应该是在最低抗震烈度7级以上，此类电力行业机柜的最高抗震承载力也是明显不足。

太阳能光伏支撑是一种大型空间结构，它由次桥、主桥和支撑柱等组成。在这里以有限元软件为基础作为理论的依据，对光伏支架的设计方案进行了位移场、应力场的大小和数值仿真与分析。在我们的研究和分析这一点的工作过程中，充分考虑了钢材结构的时效性和作用效果，并为大家提供了一种基于有限元的方法来研究和分析钢材类型最优选择的研究方法。

1 平单轴跟踪支架原理介绍

当今市场上最为主流的追溯仪有平式与垂直单轴追溯仪、倾斜式与双轴追溯仪。所采用的跟踪算法各自都有其特点，十分多样。下面就要着重阐述如何在本文中采用天文算法对其进行追踪：知道了一个项目点所在地的太阳经纬度及其大小等相关信息、就能够使用先进的太阳天文学追溯算法、计数得出实际地点太阳的高度偏角及其方位偏角、通过调节追溯仪到所需要的太阳角度、便可以进行实时跟踪。

平单轴跟踪器的轴向一般是采用南北轴，其运行基本原理是确保组件在东西方向上跟太阳光线成直角，所以平单轴跟踪器跟踪的是太阳的方位角而不是高度角。由于跟踪的范围一般是在-60°～60°，如果组件实时跟着太阳追踪，在早上或傍晚太阳高度角较小的时候，需要的跟踪角度一般会超过跟踪范围，而停留在±60°位置，此时前面一排组件会对后面一排产生遮挡。

对于一种水平单边跟踪系统，如果我们接受反向跟踪，不仅可以缩小质量范围，而且为了使光伏板完好无损，可以解决这个跟踪系统面临的许多问题，如光伏生产能力和场地面积的选择。确定了支持是否应使用回溯算法来显著提高维护能量的产生，我们仍然需要确定追踪支援东西方之间的距离。由于东西方之间的距离很大，回溯算法迟早会启动的可能性相对较小，因此我们可以保证从整个平面组件获得的辐射相对较大。当然，实际空间间隔的选择还必须考虑地球的总表面积，可广泛使用。

2 追跟踪算法

早上和傍晚的时候，支架能够反向旋转，使前排组件阴影刚好没遮到后排，实现入射角最大、发电量最大的目标。跟踪角度的计算为南北轴向平单轴，某一个时刻的高度为太阳位置，高度偏转角为α、方位偏转角为β，根据三角函数的关系式即得到θ=arctan(tanα/sinβ)，正常进行跟踪时，追溯器上的各个组件都会跟随太阳运行的轨迹发生变化而进行运动，其中跟踪器的运行基本原理，就是为了确保各个组件都处于东西两个方向上跟踪中的太阳光线呈一个直角，因此，正常情况下追踪角γ 和夹角θ 恒有γ+θ=90°。

2.1 追跟踪时角度的计算

假设某项目平单轴跟踪支架组件纵向双排安装、2×10块组件。宽度3.32米、长度10.1米、跟踪范围-45°～45°，使用PVsyst 模拟得到输出结果。以1月1日为例，早上的九点和十点时刻，太阳的高度角分别为5.81°和15.16°，根据上述公式可计算得到太阳高度角的东西分量θ分别为7°和20.8°，理论上为了保证辐射的最大化，跟踪角度应为83°和69.2°，但是此时均超过了跟踪范围45°，因此如果没有采用逆跟踪技术，此时的追踪角度为45°。如果采用逆跟踪，根据上述公式可计算得到分别为10°和37°。

2.2 追跟踪对发电量的影响

逆向跟踪对发电量的影响在使用PVsyst 软件计算逆跟踪对发电量的影响，需要考虑以下两点：无论是否采用逆跟踪技术，光伏方阵接受的直接辐射并没有变，散射和反射可能有变化，一般情况下逆跟踪的反而变小，也就是说，如果在PVsyst 软件中采用“线性遮挡”模式，那么逆跟踪方式的发电量反而会略小；如果在PVsyst 软件中采用第三种阴影计算模式（根据Layout 组串连接模式），那么逆跟踪应有明显的优势。

3 有限元模型

3.1 位移场分析结果

太阳能支架次梁位移场在次梁光伏板在均布荷载作用下，主梁约束处位移较小，跨中截面位移相对较大。其中最大挠度为11mm，出现在跨中截面。次梁两端由于受到光伏板和主梁的空间约束作用，竖向位移最小、仅为0.07mm。计算结果符合连续梁在均布荷载作用下的位移分布规律。

3.2 应力场分析结果

梁次半径中间部分的电压是增加压力和减少压力，而支撑部分的张力则是增加张力和降低压力。鉴于光伏板的强大空间限制对支撑部分的变形次梁，最大次梁电压出现在支架的上侧，最大荷载值为128MPa。范围中心的最大张力电压仅为68MPa，远远小于根据简单持续次梁手动计算的最大荷载，不考虑光伏板的刚度。

因此，精细元件模拟分析可能反映不同截面之间的张力分布，准确确定结构张力最大张力的位置，检查复杂的工作条件和边界条件，以及人工计算过程中无法考虑的，并为工程设计提供整体位移和耐久性数据。此外，中心线张力的最大张力为59MPa，通过主梁和次梁的精细单元法计算的最大拉应力，小于钢结构的强度，支撑结构的承载力安全可靠。

3.3 抗倾覆分析结果

仅考虑风电货物最不利的反转状态，设计风荷载值为0.57kN/m2。光伏板单元用于施工，设计值为0.12kN/m2。主梁和立柱中心的最大张力为48MPa，边梁与柱交叉处的最大拉力为47MPa，小于钢材的抗拉强度。用于连接部件的平均扣为10kN、侧扣为8kN。在风作用的情况下，接触元件的法向力应分别为2.64kN 和2.58kN，小于皮带扣的抗拉能力。因此，在不利风况下，结构反演计算是安全的。

4 基于有限元分析的支架优化设计

在我们进行机械结构的设计时，某些类型的机械结构是在某种程度上由实际工作所取决于现场的数值和实用公式。很难确定实际应用中的经验数值，也很难确定它们的最高强度与其优化结构间的统一性，有限元分析软件可以广泛地应用于整体结构的设计中。

所谓的结构优化，应该是指为了在规定的结构优化时间内完成需要实现的所有设计目标，并且必须使用所具备的结构设计技术才能够实现具备的最佳指标、或者说是具备的最低成本。可以实施拓扑优化与机械产品结构尺寸的优化，这为不同种类的机械产品在实施拓扑尺寸的优化提供了出发点。

4.1 拓扑优化分析

一般而言，结构优化是指将结构的设计变量依据不同程度地划分成三个维度：即对结构尺寸的优化、形状学上的优化和拓扑学上的优化。由于其在结构上的优化与形状上的优化已经从较高水平发展到了更高水平，但仍然有许多缺陷，它们无法完全改变其整体结构拓扑。在这种情况下，人们开始研究拓扑学。

拓扑学的产生与其形成主要遵循两个根据性的基本原则：一个就是退化性的原则，另一个就是发展性的原理。排除动力学原理的基本思路，在动力学优化之前把所有可能性元件或所有动力学材料都添加到动力学结构中，然后建立合适的动力学优化模型，通过一定的动力学优化手段和方法逐渐消除不必要的动力学结构元素；进化动力学原理的基本思路就是将一个动物发展的思路引入到一个动力学结构演变的生存中拓扑优化。它通过模拟人类适者生存、自然的选择、适者生存等自然机制来获得最优拓扑。

4.2 结构尺寸优化

以拓扑优化获取的模拟量数据作为理论依据，运用了响应式曲面优化分析模块来对其进行了结构和大小的优化。轴向载荷有时可能是在引起支撑层的厚度下降或增大而减小后，沿着该孔轴向运动方向变形的范围逐渐扩展，所以我们需要在对该孔的结构和尺寸进行优化时充分考虑。

机械设计的复杂结构应采用精细元素分析的应用方法。静力分析应主要分析二维和三维机械结构的变形、载荷和张力，这是机械工程中常见的分析内容，对于复杂结构的分析，需要通过静力方法对结构荷载进行动态调节，用于研究结构的固定频率特性和固有振动形式。施加的荷载为位移和应力，过渡动力分析可对上述分析进行动力分析，分析周期性载荷和非周期性载荷的动态响应。例如，在热应力分析过程中，温度应力可能分析工作结构中的温度分布，接触分析可用于分析非活动状态，用于生成结构和传递机械结构的结构强度。

通过有限元软件对各种机柜设备进行不同应用场景下的有限元分析，并根据实际应用场景的情况进行测量和实验验证，找出各种设备在机柜上存在的潜力和风险。经过多年综合考虑和测试的结果，拟采取以下几个措施，针对电子计算机系统中的一些薄弱环节予以优化与改善。

利用ANSYS 软件进行有限元分析，获取准确的机柜应力和应变模型，并根据实际工况进行试验验证，验证ANSYS 软件的分析结果，找出机柜的薄弱环节和潜在危害，并根据结果进行设计优化。通过有限元分析及样柜的试验验证，提高了机柜设计的准确性，为机柜的设计提供了可靠的依据。

综上，有限元分析法就是一种利用数学近似的方式对现实物理体系进行模拟。在便携式装置和设备塑料壳体的设计中，需要通过应用有限元分析的技术和方法来建立一个有限元的模型，对系统进行结构的分解，优化零件的结构，以便利用更小的材料和更低的成本来提高零件的刚度，提升综合性能，使其满足工业设计的需要。