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太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國均將太陽能光伏發(fā)電作為新能源與可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)。在各國政府的大力扶持下，世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。截止2010年底，全國光伏電池安裝量已達(dá)到90萬kW，居全球第八位。一般來說，在一個(gè)大型太陽能發(fā)電站項(xiàng)目中，建安成本占整個(gè)項(xiàng)目總投資的21%左右。如果選用的支架不合適，會(huì)增加加工成本、安裝成本及后期的養(yǎng)護(hù)成本。陳源采用SAP2000建立了三維的光伏支架模型，計(jì)算得到了支架在各種荷載作用下的受力狀態(tài)。蘇慧采用力學(xué)求解法對(duì)連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院1MW光伏支架的主、次梁和立柱進(jìn)行了強(qiáng)度和變形驗(yàn)算。
目前，國內(nèi)對(duì)光伏電站支架設(shè)計(jì)的有限元分析較少，本文以北京市某實(shí)際工程為例，應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)鋼支架次梁進(jìn)行了受力性能影響參數(shù)分析，為光伏電站的支架的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
本工程位于北京市密云縣，太陽能板支架為主次梁布置結(jié)構(gòu)。次梁為多跨連續(xù)梁，承受太陽能板傳來荷載值；主梁為兩跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，通過立柱等將荷載傳至基礎(chǔ)，光伏支架示意圖見圖1。
本文光伏支架次梁選用目前使用最廣泛的U型槽鋼，其截面示意圖如圖2所示。
次梁的U型槽鋼采用SOLID45三維實(shí)體單元。該單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)平動(dòng)自由度，具有模擬塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的特征。
鋼材的彈性模量為206000MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/mm3，Q235鋼的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa，容許撓度為L/200(L為槽鋼的支座間距)，采用適用于金屬材料的vonMises屈服準(zhǔn)則，本構(gòu)模型采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO模擬，見圖。
梁的有限元模型如圖所示。荷載計(jì)算光伏組件自重。實(shí)測單塊光伏組件的自重P1為0.2kN/m2。風(fēng)荷載。北京密云光伏電站地面粗糙度為B類，支架頂端離地距離小于5m，則根據(jù)規(guī)范GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》可得風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.0，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4，陣風(fēng)系數(shù)為1.0，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式見下式：Wk=βzμsμzw0(2)式中，βz為陣風(fēng)系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0基本風(fēng)壓為。本文風(fēng)荷載取值為0.63kN/m2。
雪荷載：北京密云地區(qū)基本雪壓為0.4kN/m2，積雪分布系數(shù)0.52。雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式見式：Sk=μrs0，式中，μr為屋面積雪分布系數(shù)；s0為基本雪壓。本文雪荷載取值為0.208kN/m2。組合荷載。實(shí)際工程中，要求光伏支架能夠抵抗7級(jí)大風(fēng)，所以荷載效應(yīng)組合應(yīng)考慮風(fēng)荷載組合效應(yīng)。組合荷載表達(dá)式見式：Sd=1.2P1+1.4Wk+1.4×0.7Sk，本文組合荷載取值為1.33kN/m2。有限元分析荷載。8塊組件安裝在4根次梁上，每根次梁有2個(gè)面受力，受力面寬為a。次梁所受的面荷載P2表達(dá)式見式：P2=1.64Sd4000a。本文有限元分析荷載取值為0.054N/mm2。影響參數(shù)有限元分析GB50797-2012根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，光伏支架應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度和變形。
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