50 m2定日镜支撑结构荷载分析及仿真研究

杨雯慧 孙兴汉 刘洋 张国勇 段杨龙

摘要：目前工程应用的定日镜普遍存在支撑结构复杂、强度低、维护困难、制作成本高等问题，这使得太阳能热发电系统的初始投资成本高，降低了其竞争力。针对50 m2定日镜在太阳能热发电系统中的应用，深入开展了其支撑结构在抗风载、抗雪载下的受力分析。仿真计算结果表明：50 m2定日镜支撑结构具有更高的承载能力和稳定性，有效提升了定日镜的整体性能。基于受力分析结果提出了支撑结构组件材料选型建议。研究成果不仅为定日镜支撑结构的优化设计提供了理论依据，也为太阳能热发电技术的进一步发展提供了有力支持。

关键词：定日镜； 支撑结构； 风载； 雪载； 太阳能热发电系统

中图法分类号： TM615.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.041

0引 言

定日镜作为太阳能热发电系统的核心组件，其性能影响到整个系统的运行效率和稳定性［1］。支撑结构作为定日镜的载体，不仅承受着风载、雪载等自然力的作用，还直接影响着定日镜的跟踪精度和稳定性。然而，目前工程应用中普遍存在支撑结构复杂、强度低、维护困难、制作成本高等问题，这使得太阳能热发电系统的初始投资成本高，降低了其竞争力。设计不合理的支撑结构可能会导致定日镜在强风或大雪天气下发生变形或破坏，进而影响到整个太阳能热发电系统的正常运行［2］。因此，对定日镜支撑结构进行优化设计，提升其承载能力和稳定性，具有重要的工程实践意义。

本文旨在基于受力分析，对50 m2定日镜的支撑结构进行抗风载及抗雪载的分析计算及仿真研究，以期为定日镜支撑结构的优化设计提供理论依据和实践指导，推动太阳能热发电技术的进一步发展。

1抗风载受力分析

在实际运行过程中，定日镜面临着复杂多变的工况条件，包括在不同风速下定日镜面向太阳不同角度时的风载作用，积雪和融雪过程中的雪载影响［3］。这些工况参数直接影响着定日镜支撑结构的稳定性和关键组件的选型与性能。

1.1工况参数

50 m2定日镜镜面由12块子镜组成，单面子镜尺寸为2 277 mm×1 830 mm（长×宽），如图1所示。支撑结构主要由通梁、桁架梁、檩条、立柱组成。双轴驱动组件包括回转减速机及电动推杆，回转减速机负责驱动定日镜水平方位角，电动推杆负责驱动定日镜俯仰高度角，两者配合驱动定日镜追逐太阳［4］，如图2所示。基本风压为202.5 N/m2（18 m/s），桁架梁为4条，定日镜状态为零位状态（镜面与水平方向垂直），子镜为4 mm超白浮法玻璃，密度3 000 kg/m3。

1.2标准风压计算

50 m2定日镜的通梁作为一种连续性的支撑结构，能够有效分散并承受来自定日镜的各种载荷，包括风载、雪载以及自重等。其连续性的特点使得整个结构在受力时能够保持较好的整体性和稳定性，减少了因局部受力不均而导致的变形或破坏［5］。

桁架梁共4条，与通梁通过连接板连接，如图3所示。桁架梁与通梁的搭接能够形成一个更加稳定、坚固的整体结构，可有效增强结构的整体稳定性，提高整个结构的抗风、抗雪等能力。

目前市面上定型的定日镜支撑结构在设计时尚无规范可供参考，依据光伏支架结构设计规程，计算结构构件时，风荷载标准值应按照式（1）计算：

ωk=βzμsμzω0（1）

式中：ωk是风荷载标准值，kN/m2；βz是高度z处的风振系数；μs是风荷载整体体型系数；μz是风压高度变化系数；ω0为基本风压。

风压高度变化系数及风荷载整体体型系数可在GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中查询［6］。当风振系数βz取1.2时，正风压μz取1.3，负风压μz取-1.6。由于50 m2定日镜在90°工作状态下镜面最高点距离立柱底面距离约7.5 m，故风压高度变化系数μz取1.0。

将参数代入可得：

正风压时标准风压为315.9 N/m2，

风载荷为15 795 N；

负风压时标准风压（负风压）为388.8 N/m2，

风载荷为19 440 N。

1.3正风压计算仿真

基于上述支撑结构，对50 m2定日镜支撑结构进行简化处理，模型如图4所示。4条桁架约均分通梁长度，即L1=L2=L3=2 m。均分桁架间距能够确保通梁受力均匀。当桁架均匀分布时，通梁上的受力点也会相应地均匀分布，从而避免了因局部受力不均而导致的结构变形或破坏。这种均匀的受力分布也有助于提高通梁的整体稳定性和承载能力。

每段受力计算如式（2）所示：

q1=q2=q3=F1/（L1+L2+L3）（2）

式中：F1是风荷载（正风压）。计算得到F1=15 795 N，得每段受力大小2 632.5 N/m。

针对50 m2定日镜支撑结构，过大的弯矩可能会导致支撑结构发生弯曲变形，甚至导致结构失效［7］。因此，通过计算弯矩可以评估支撑结构在承受各种载荷作用下的安全性，确保结构在正常工作状态下不会发生破坏。由于在建立定日镜支撑结构模型时呈现均布载荷，最大弯矩通常出现在通梁的中点位置。弯矩可通过式（3）～（4）计算：

MA=－［2q1L31（L2+L3）+q2L32（L2+2L3）］16［L1（L2+L3）+L2（L3+34L2）］

+q3L33L216［L1（L2+L3）+L2（L3+34L2）］（3）

MB=－［q2L32+q3L33+4MAL2］8×（L2+L3）（4）

代入参数，计算得A点所受弯矩为-1 053 N·m；B点所受弯矩为-1 053 N·m

对支撑结构进行受力分析后，通过式（5）～（8）可计算各点所受反支撑力：

FO=q1L312+MAL1（5）

FA=q1L12+q2L22－MAL1－MA－MBL2（6）

FB=q2L22+q3L32－MBL1－MB－MAL2（7）

FC=q3L332+MBL3（8）

通过参数代入计算，可得O点所受反力为2 106 N；A点所受反力为5 791.5 N；B点所受反力为5 791.5 N；C点所受反力为2 106.0 N。

结合上述参数计算结果，基于有限元分析软件分别对支点A、支点B、两侧桁架梁（支点O、支点C）、通梁进行受力仿真，仿真结果如图5～7所示。

仿真结果显示：中间桁架梁（支点A、支点B）最大应力为236.387 MPa，最大位移为2.93 mm。

两侧桁架梁（支点O、支点C）最大应力为91 MPa，最大位移为2.16 mm。

横梁最大应力为148 MPa，Y方向位移约15.66 mm。

1.4负风压计算仿真

在计算负风压时，基于标准风荷载（负风压），通过式（2）～（4）可计算出支撑结构承受负风压时的弯矩大小，通过式（5）～（7）可计算出支撑结构所受反力。计算结果如表1所列。

结合上述参数计算结果，基于有限元分析软件分别对支点A、支点B、两侧桁架梁（支点O、支点C）、通梁进行受力仿真，仿真结果如图8～10所示。

根据仿真结果可知：中间桁架梁（支点A、支点B）最大应力为290.9 MPa，最大位移为3.37 mm。

两侧桁架梁（支点O、支点C）最大应力为111.8 MPa，最大位移为2.22 mm。

通梁最大应力为377.38 MPa，Y方向位移约24.51 mm。

综合正风压和负风压时仿真结果可知，中间桁架梁（支点A、支点B）最大应力为290.9 MPa，最大位移为3.37 mm；两侧桁架梁（支点O、支点C）最大应力为111.8 MPa，最大位移为2.22 mm；通梁最大应力为377.38 MPa，Y方向位移约24.51 mm。

2抗雪载受力分析

雪载作为一种外部载荷，对定日镜的结构和支撑系统产生压力。当定日镜表面积雪时，积雪的重量会对镜面和支撑结构产生作用力。如果定日镜的结构设计不足以承受这些作用力，可能会导致结构变形、损坏甚至坍塌，进而影响整个太阳能热发电系统的正常运行。进行抗雪载计算是确保定日镜在雪天条件下安全稳定运行的关键步骤。

基于50 m2定日镜支撑结构，计算参数中加入50 a雪压值（150 N/m2），总雪压载荷为

F1=150×50=7500N（9）

总载荷为

F=F1+F2+F3（10）

式中：F为总载荷；F1为雪压；F2为檩条重力；F3为定日镜重力，代入参数得F=15 147.5 N。

同理，基于上节中所述模型及公式分别计算支撑结构的弯矩、所受反力，所得参数如表2所列。

基于上述计算参数，分别对中间桁架梁（支点A、支点B）、两侧桁架梁（支点O、支点C）、通梁通过有限元分析软件进行受力仿真，结果如图11～13所示。

根据仿真结果可知：中间桁架梁（支点A、支点B）最大应力为270.9 MPa；最大位移为2.85 mm。

两侧桁架梁（支点O、支点C）最大应力为111 MPa；最大位移为1.16 mm。

横梁最大应力为104.9 MPa，最大位移4.79 mm。

在分析计算过程中，雪压工况下立柱主要考虑其承受垂直方向的正压力，而在垂直方向变形位移影响非常小，在此不考虑。

通过仿真，得知中间桁架梁（支点A、支点B）最大应力为270.9 MPa，两侧桁架梁（支点O、支点C）最大应力为111 MPa；通梁最大应力为104.9 MPa；最大位移约5.95 mm。

3结 语

针对50 m2定日镜在太阳能热发电系统中的应用，深入开展了其支撑结构在抗风载、抗雪载下的受力分析。通过仿真计算，得到了定日镜支撑结构在风载和雪载作用下的应力分布和位移情况，结果表明，该支撑结构在承受自然力作用下表现出较高的承载能力和稳定性，能够满足实际运行的要求。此外，基于受力分析结果，对支撑结构组件材料的选型提出如下建议：

横梁和立柱材质建议使用Q295，其屈服强度≥295 MPa，抗拉强度390～570 MPa；桁架材质建议使用Q460，其屈服强度≥460 MPa，抗拉强度550～720 MPa；檩条材质建议使用Q295。

参考文献：

［1］胡国武，陈维铅.太阳能光热发电技术及其发展现状研究［J］.甘肃科技纵横，2023（11）：20-25.

［2］谭小湾.光热电站定日镜技术及选型研究［J］.电工技术，2023（24）：54-56.

［3］赵明智，邹露璐，张晓明，等.风载作用下太阳能发电元件表面压力对沙尘沉降的模拟研究［J］.机械工程学报，2018，54（8）：192-201.

［4］肖婷婷，赵川川，王李波，等.基于ANSYS的定日镜副梁参数优化研究［J］.装备制造技术，2023（1）：129-132，151.

［5］郎金权，王晓冬，庄善相，等.通梁式排架刚性支撑结构受力分析研究［J］.建筑结构，2022，52（增2）：411-414.

［6］汪新金，王顺波，邱冶.双坡光伏板风荷载特性试验研究［J］.太原理工大学学报，2024（4）：1-9.

［7］庄泳浩.既有立交桥抢险临时支撑结构设计及分析［J］.特种结构，2021，38（4）：120-124.

（编辑：胡旭东）