平單軸追日系統(tǒng)機(jī)械性能分析

黃光華 張健 吳行

摘 要：平單軸追日系統(tǒng)通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多陣列聯(lián)動(dòng)，在控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配合作用下實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率提升，其中驅(qū)動(dòng)單元的主梁連接部位是關(guān)乎系統(tǒng)可靠性的核心部件，本研究結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果測(cè)試了預(yù)緊螺栓在特定扭矩下的防松效果，對(duì)主梁連接件的強(qiáng)度、變形以及各部件之間的相對(duì)位移進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)合計(jì)算結(jié)果論證追日支架的結(jié)構(gòu)可靠性。同時(shí)依據(jù)研究結(jié)果提出了主梁連接防松的改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：追日系統(tǒng)；平單軸；有限元；支架強(qiáng)度；防松力矩

中圖分類號(hào)：S954.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）27-0019-03

Abstract： The horizontal single axis tracking system realizes the multiarray linkage through the linkage mechanism. The power generation efficiency is realized by the coordination of the control system and the drive system. The connection part of the main beam of the driving unit is the core component of the system reliability. This study tests the pretightening bolt under the specific torque with the finite element calculation results. The strength and deformation of the connecting parts of the main beam and the relative displacement between the components are calculated and analyzed， and the structural reliability of the bracket is demonstrated by the calculation results. At the same time， based on the research results， suggestions for improvement of main girder connection and loosening prevention are put forward.

Keywords： solar tracker； horizontal single axis； finite element； stent strength； anti-loosing moment

引言

隨著國(guó)家對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)扶植政策的收緊，光伏行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化。傳統(tǒng)固定式光伏電站的投資收益已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，為了提升光伏產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力以及投資回報(bào)率必須對(duì)光伏電站進(jìn)行技術(shù)革新，追日型光伏電站作為目前替代傳統(tǒng)固定式電站最為可行的技術(shù)方案，將是未來(lái)光伏行業(yè)發(fā)展的主流方向。

追日型光伏電站常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式包括平單軸、斜單軸以及雙軸追日系統(tǒng)，其中平單軸追日系統(tǒng)具有土地利用率高，安裝便利等優(yōu)勢(shì)，依據(jù)Pvsyst仿真計(jì)算結(jié)果，平單軸追日系統(tǒng)年發(fā)電效率相對(duì)于固定式光伏電站可提高10%以上，適宜結(jié)合農(nóng)光互補(bǔ)政策大面積推廣。關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)是多陣列聯(lián)動(dòng)過(guò)程中主梁的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度問(wèn)題以及主梁連接件的防松問(wèn)題。

然而，已有光伏追日支架的研究大多針對(duì)支架的靜態(tài)強(qiáng)度，對(duì)于追日支架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度以及防松問(wèn)題研究較少。本研究結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)電站主梁連接位置抗扭轉(zhuǎn)能力進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)合結(jié)果改進(jìn)了主梁連接方式，顯著提升主梁防松能力以及安裝效率。

1 平單軸追日系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖1所示，平單軸追日系統(tǒng)包含組件、支架、太陽(yáng)能跟蹤控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及逆變器等結(jié)構(gòu)。其中太陽(yáng)能跟蹤控制器以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是確保追日系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵部件，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常用結(jié)構(gòu)為電機(jī)與減速機(jī)相組合，太陽(yáng)能跟蹤控制器則包含2種控制模式以提升追日系統(tǒng)對(duì)天氣的應(yīng)變能力。

理論上當(dāng)太陽(yáng)入射光線與組件垂直時(shí)，組件對(duì)太陽(yáng)能的接收效率最高，為了實(shí)現(xiàn)組件與太陽(yáng)之間始終呈現(xiàn)最佳接收角度，追日系統(tǒng)需在控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)角度實(shí)時(shí)變化。

太陽(yáng)能跟蹤控制器作用模式根據(jù)跟蹤原理的不同可分為太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤（時(shí)控）以及光電式跟蹤（光控），成熟控制系統(tǒng)通過(guò)兩種太陽(yáng)跟蹤方法相結(jié)合的方式來(lái)提升追蹤精度，當(dāng)出現(xiàn)陰天等光照條件較弱的天氣時(shí)切換為時(shí)控，光照條件好時(shí)自動(dòng)切換為光控。夜晚在限位開(kāi)關(guān)的配合作用下實(shí)現(xiàn)歸位，同時(shí)還可以與風(fēng)速儀以及越深儀配合使用，實(shí)現(xiàn)在大風(fēng)模式下自動(dòng)調(diào)平。

2 理論分析

追日支架相對(duì)于傳統(tǒng)固定式支架需要承受驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加的動(dòng)載，在陣風(fēng)作用下需考慮陣列之間的相互作用，整體剛度要求較高。為了確保支架的安全性必須對(duì)最終支架在組合環(huán)境載荷作用下的應(yīng)力分布以及變形撓度進(jìn)行計(jì)算。

2.1 雪載荷受力分析

上式（1）中S為積雪荷重，Cs為坡度系數(shù)，P為雪的平均單位質(zhì)量（相當(dāng)于積雪1cm的質(zhì)量，面積為1m2的質(zhì)量）一般的地方19.6N以上，多雪區(qū)域?yàn)?9.4N以上。Zs為地上垂直最深積雪量（cm），As為積雪面積。太陽(yáng)能電池陣列列面的設(shè)計(jì)用積雪量設(shè)定為地上垂直最深的積雪量（Zs），但是，經(jīng)常掃雪而積雪量減少的場(chǎng)合，根據(jù)狀況可以減少Zs值。其中坡度系數(shù)如表1所示。

2.2 風(fēng)速載荷受力分析

本文設(shè)計(jì)的光伏組件支架校核在十級(jí)風(fēng)（27m/s）的風(fēng)速下強(qiáng)度、撓度是否滿足要求。

2.2.1 正應(yīng)力校核

2.2.2 對(duì)撓度進(jìn)行校核

式中l(wèi)0為梁的計(jì)算跨度；S為與荷載形式、支承情況有關(guān)，對(duì)均布荷載作用的簡(jiǎn)支梁S=5/384；E為彈性模量；M為跨中最大彎矩；EI為截面抗彎剛度。縱向計(jì)算同上。

3 有限元仿真分析

3.1 計(jì)算模型

當(dāng)追日系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到極限傾角45°時(shí)所承受的風(fēng)載最大，如圖2所示，對(duì)單組件分段施加風(fēng)載、雪載以及重力載荷作用，計(jì)算各部件在25年一遇環(huán)境載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布以及最大變形。

3.2 計(jì)算結(jié)果

如圖3（a）所示，主梁支架結(jié)構(gòu)整體滿足強(qiáng)度要求，但是橫梁固定件在25年一遇大風(fēng)模式（10級(jí)）下會(huì)發(fā)生塑性變形，后續(xù)將逐步改進(jìn)為內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)。

主梁以及橫梁變形撓度符合規(guī)范要求，如圖4（b）所示其中橫梁固定件與主梁之間的最大相對(duì)滑動(dòng)位移為0.2mm，滿足安全使用要求。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于單根主梁長(zhǎng)度有限，同時(shí)大長(zhǎng)度主梁變形撓度難以滿足工程使用要求，必須將主梁設(shè)計(jì)為特定長(zhǎng)度，同時(shí)結(jié)合計(jì)算結(jié)果采取合適的連接方式進(jìn)行連接緊固。

其中常用的連接方式有抱箍連接以及采用過(guò)渡件加螺栓對(duì)穿連接兩種方式，如圖5所示，采用過(guò)渡件對(duì)穿連接時(shí)必須保證螺栓的預(yù)緊扭矩達(dá)到特定值才能滿足防松要求。

本設(shè)計(jì)選用M14-10.9級(jí)螺栓進(jìn)行對(duì)穿連接，為了防止主梁在扭轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生松動(dòng)，螺栓的預(yù)緊扭矩需大于200Nm，此時(shí)主梁的局部孔位最大應(yīng)力為185MPa，可以滿足強(qiáng)度要求。

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)圖6所示的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對(duì)主梁施加10級(jí)大風(fēng)模式作用下的等效扭矩，然后測(cè)試螺母的預(yù)緊扭矩。

對(duì)主梁施加6550Nm扭矩24小時(shí)后，通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)前后螺栓的預(yù)緊扭矩是否發(fā)生變化來(lái)判定主梁是否發(fā)生松動(dòng)。如圖7所示，測(cè)試前后螺母扭矩實(shí)測(cè)值為200Nm±1.2Nm，因此判定對(duì)對(duì)穿螺栓施加200Nm預(yù)緊扭矩時(shí)可以滿足防松要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）追日支架的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)為主梁的過(guò)渡連接以及防松設(shè)計(jì)，采用本設(shè)計(jì)的對(duì)穿螺栓連接方式時(shí)必須對(duì)螺栓施加大于200Nm的預(yù)緊扭矩，否者無(wú)法滿足防松要求。

（2）橫梁過(guò)渡件的設(shè)計(jì)無(wú)法滿足強(qiáng)度要求，兩側(cè)腹板過(guò)于單薄，容易張開(kāi)，通過(guò)改進(jìn)為內(nèi)部加筋的結(jié)構(gòu)可以解決該問(wèn)題。

（3）風(fēng)載在追日支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為主要考慮因素，

需結(jié)合使用環(huán)境綜合計(jì)算順風(fēng)以及逆風(fēng)模式下的支架強(qiáng)度。

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