光伏支架最優跨距仿真分析

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 王建勃 朱銳 劉剛

0 引言

固定式光伏電站支架系統的東西向跨距是支架設計的重要部分。跨距與支架系統前后立柱選型和數量、基礎設計和數量、支架橫梁的選型等息息相關。計算太陽能組件陣列支架結構強度時，最大的荷載一般是風荷載。本文以某一光伏電站為例，利用Fluent 6.3平臺計算單塊組件所受極限風荷載，再利用ANSYS軟件計算支架橫梁強度，得出合理的支架系統跨距。通過此算例，提出普適支架系統跨距的合理化建議。

1 組件風荷載仿真計算

Fluent軟件是目前得到設計者普遍認可的CFD軟件，具有豐富的數學模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設計、渦輪機設計等領域有廣泛應用。Fluent軟件包含多種求解器，可模擬從不可壓縮到高度可壓縮流范圍內的各種復雜流場[1]。

幾何模型：組件傾角36°，組件尺寸1.58 m×0.8 m×0.05 m，離地高度為0.6 m，組件中心離入口3 m(入口：仿真計算流場入口的邊界)[2]。支架系統對風荷載影響較小，以單塊組件建立模型進行風荷載計算。流場截面滿足阻塞比小于3%的仿真計算要求[3]。

計算模型：雙方程k-e RNG模型，使用基于壓力的隱式求解器[4]。為了得到較好的計算結果，組件邊界層網格加密，流場尾流區網格加密，如圖1所示。

設計風速：37 m/s。

圖1 計算模型

圖2 組件受力坐標系

迭代運算收斂后，計算結果為：

單塊組件受力Fx=1593 N，Fy=-5.4 N，Fz=0 N，My=260 Nm。

組件流場區域速度分布如圖3所示。組件受力主要是垂直于組件的正壓荷載，組件側向荷載較小。單塊組件自重15 kg。考慮風荷載、雪荷載等，以1.2倍的風荷載作為總體外部荷載對橫梁進行計算，單塊組件最大總荷載設為：

圖3 組件流場區域速度分布圖(截面)

2 支架橫梁強度計算

支架東西跨距與橫梁的強度計算緊密相關，本文使用大型有限元軟件ANSYS進行橫梁強度計算。ANSYS軟件是融合結構、流體、電場、磁場、聲場等分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在結構強度計算中有廣泛應用[5]。

在本文光伏電站支架設計中，橫梁跨距3 m，組件雙排豎向排布。根據GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》可得：

容許撓度fmax=跨距H/250=3000/250=12 mm；

容許應力σb=235 MPa。

支架橫梁選用目前使用最為廣泛的C型槽鋼，截面形狀見圖4。下文中HM-41、HM-52、HM-62分別代表H為41 mm、52 mm、62 mm的C型槽鋼，其他尺寸不變。在光伏支架中，橫梁為連續梁結構，因此，只需分析一個跨距的橫梁受力即可。在ANSYS中建立一個跨距的HM-41橫梁面單元模型，設置模型的面厚度為2 mm，槽鋼彈性模量為2×1011Pa，泊松比0.3，如圖5所示。

組件寬0.8 m，一個跨距內光伏組件數目為：(2×3)/0.8=7.5，取 8。

圖4 C型槽鋼截面示意圖

圖5 HM-41橫梁ANSYS模型

8塊組件安裝在2根橫梁上，每根橫梁有2個面受力，受力面寬為0.014 m。橫梁所受面荷載為：

加載此荷載，求解結果見圖6。仿真計算結果為：f=16.8 mm ≥ fmax；σ =514 MPa ≥ σb。最大撓度和最大應力均不滿足設計要求。

圖6 HM-41橫梁求解結果

建立HM-52模型，跨距3 m，加載同樣荷載，求解結果見圖7。仿真計算結果為：f=7.9 mm≤fmax；σ=199 MPa≤σb。最大撓度和最大應力均滿足設計要求。

圖7 HM-52橫梁仿真結果

建立HM-62模型，跨距3 m，加載同樣荷載，求解結果見圖8。仿真計算結果為：f=5.2 mm≤fmax；σ=163 MPa≤σb。最大撓度和最大應力均滿足設計要求。

圖8 HM-62橫梁仿真結果

3 不同跨距橫梁強度計算

利用ANSYS軟件，另外再建立跨距分別為2 m、2.5 m的HM-41模型，跨距為3.5 m的HM-52模型，跨距為3.5 m、4 m的HM-62模型，進行37 m/s的風荷載強度計算，計算結果見表1。表中，超出支架設計要求的項目用紅色字體表示。

表1 不同跨距橫梁強度計算結果

由表1可知，設計風速為37 m/s時，HM-41作為橫梁，跨距最大可設計為2 m；HM-52作為橫梁，跨距最大可設計為3 m；HM-62作為橫梁，跨距最大可設計為3.5 m。可以說，設計風速和橫梁選型決定了支架系統的東西向最優跨距大小。

4 小結

目前光伏電站設計中，一般設計風速為37 m/s。在滿足風荷載要求的前提下，如何選擇橫梁型號、支架跨距，以達到支架使用鋼材量少、總體成本低是一個值得深入研究的問題。本文的仿真計算結果表明：使用HM-52作為橫梁、跨距3 m是一個好的設計方案，支架安全系數較高。若使用HM-62作為橫梁，跨距可選擇3.5 m，但支架安全系數較低，最大撓度達到了10.2 mm。跨距在3 m以上時，要達到相同支架安全系數，需消耗更多鋼材量。因此，我公司承建的大唐共和、大唐紅寺堡、航天機電、武威等項目支架跨距均為2.8 m，烏蘭項目支架跨距為3.1 m，均約為3 m。

根據本文仿真計算結果，設計風速為37 m/s時，綜合支架和施工的總成本，建議在光伏電站設計中選擇3 m的支架跨距。如果設計風速增大或需要更高的安全系數，可采用增大橫梁型號和略微減少跨距的方法。此結論對光伏支架設計提供一定理論支持。

[1] (日)太陽光發電協會. 太陽能光伏發電系統的設計與施工[M]. 北京: 科學出版社, 2006, 13－72.

[2] GB50797-2012, 光伏發電站設計規范[S].

[3] 何懼, 朱銳, 王建勃. 光伏電池板風荷載數值模擬計算[J].太陽能, 2013, (16): 56－58.

[4] 韓占忠. FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社, 2008, 14－150.

[5] 張應遷, 張洪才. ANSYS有限元分析從入門到精通[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010, 125－163.