基于ANSYS的光伏平單軸跟蹤支架性能分析及優化設計

金山職業技術學院 徐 萌 金海新源電氣江蘇有限公司 蔡 雄

引言

隨著我國一些高性能的計算機工作站技術涌現和先進的數值測量實時檢測試驗技術手段的發展與普及，數值仿真以其所具有的應用范圍廣、方便快捷、靈活性好、節約了人力物力、安全性好、并且能夠實時顯示各類結構內部狀態等特點而被廣泛應用于航空飛行、汽車工業、生物醫療、橋梁、建筑、電子產品、輕型機器、微電子系統、運動儀表等領域的規劃與設計。

目前常見的數值仿真有限元分析軟件可以廣泛應用于對各種空間結構的位移場、應力學場、溫度學場、電磁學場等進行數值仿真和分析，彌補了我們在設計和進行手算分析時不能正確考慮到這種結構實際效果的缺點。太陽能光伏支架主要指的是一種利用發電系統光伏模塊板系統二維次梁、主橋和支撐柱共同組合而成的空間性構件，支架與光伏模塊板之間通過扣夾作用來傳遞負載。它作為一個重要的機械支撐零部件，是其中必不可少的部分。

新型能源通常都是在我國的邊遠或者更多的地區，或者說也就是像海島這樣環境復雜的地區，需要經過非常困苦的物料搬送和使用過程，才可以準確地到達所需要的設備。新時期現代的各種儲能設備一般是直接通過選擇在一個儲能機柜里面的位置來對其他儲能設備的單臺進行安裝，設備的每個重量都可以說是比較大，有些情況下將儲能設備的每個單臺的重量控制在1.5t 左右。要求與其相配套的箱體必須具有良好的靜負荷及可以承受的動載負荷。

在其吊裝、運輸、安裝、耐震等各個環節對于其技術性質的要求都應該是極高的，這種類型機柜具體的強度將會直接影響該種設備生產和使用過程中的安全性。目前，關于電力儲能裝置在國內應用的研究和推廣仍然還處于試點階段，還沒有一種是針對電力儲能裝置而進行開發研制出來的重載、耐震式機柜。一般都是為了選擇一些電力行業經常會采用的機柜種類，例如c 型型材、9折型材、16折型材、但這幾種電力行業經見到這些機柜的最高抗震承載力并不可能大于或超過lt，如果所需要采用的環保抗震承載力的要求應該是在最低抗震烈度7級以上，此類電力行業機柜的最高抗震承載力也是明顯不足。

太陽能光伏支撐是一種大型空間結構，它由次橋、主橋和支撐柱等組成。在這里以有限元軟件為基礎作為理論的依據，對光伏支架的設計方案進行了位移場、應力場的大小和數值仿真與分析。在我們的研究和分析這一點的工作過程中，充分考慮了鋼材結構的時效性和作用效果，并為大家提供了一種基于有限元的方法來研究和分析鋼材類型最優選擇的研究方法。

1 平單軸跟蹤支架原理介紹

當今市場上最為主流的追溯儀有平式與垂直單軸追溯儀、傾斜式與雙軸追溯儀。所采用的跟蹤算法各自都有其特點，十分多樣。下面就要著重闡述如何在本文中采用天文算法對其進行追蹤：知道了一個項目點所在地的太陽經緯度及其大小等相關信息、就能夠使用先進的太陽天文學追溯算法、計數得出實際地點太陽的高度偏角及其方位偏角、通過調節追溯儀到所需要的太陽角度、便可以進行實時跟蹤。

平單軸跟蹤器的軸向一般是采用南北軸，其運行基本原理是確保組件在東西方向上跟太陽光線成直角，所以平單軸跟蹤器跟蹤的是太陽的方位角而不是高度角。由于跟蹤的范圍一般是在-60°～60°，如果組件實時跟著太陽追蹤，在早上或傍晚太陽高度角較小的時候，需要的跟蹤角度一般會超過跟蹤范圍，而停留在±60°位置，此時前面一排組件會對后面一排產生遮擋。

對于一種水平單邊跟蹤系統，如果我們接受反向跟蹤，不僅可以縮小質量范圍，而且為了使光伏板完好無損，可以解決這個跟蹤系統面臨的許多問題，如光伏生產能力和場地面積的選擇。確定了支持是否應使用回溯算法來顯著提高維護能量的產生，我們仍然需要確定追蹤支援東西方之間的距離。由于東西方之間的距離很大，回溯算法遲早會啟動的可能性相對較小，因此我們可以保證從整個平面組件獲得的輻射相對較大。當然，實際空間間隔的選擇還必須考慮地球的總表面積，可廣泛使用。

2 追跟蹤算法

早上和傍晚的時候，支架能夠反向旋轉，使前排組件陰影剛好沒遮到后排，實現入射角最大、發電量最大的目標。跟蹤角度的計算為南北軸向平單軸，某一個時刻的高度為太陽位置，高度偏轉角為α、方位偏轉角為β，根據三角函數的關系式即得到θ=arctan(tanα/sinβ)，正常進行跟蹤時，追溯器上的各個組件都會跟隨太陽運行的軌跡發生變化而進行運動，其中跟蹤器的運行基本原理，就是為了確保各個組件都處于東西兩個方向上跟蹤中的太陽光線呈一個直角，因此，正常情況下追蹤角γ 和夾角θ 恒有γ+θ=90°。

2.1 追跟蹤時角度的計算

假設某項目平單軸跟蹤支架組件縱向雙排安裝、2×10塊組件。寬度3.32米、長度10.1米、跟蹤范圍-45°～45°，使用PVsyst 模擬得到輸出結果。以1月1日為例，早上的九點和十點時刻，太陽的高度角分別為5.81°和15.16°，根據上述公式可計算得到太陽高度角的東西分量θ分別為7°和20.8°，理論上為了保證輻射的最大化，跟蹤角度應為83°和69.2°，但是此時均超過了跟蹤范圍45°，因此如果沒有采用逆跟蹤技術，此時的追蹤角度為45°。如果采用逆跟蹤，根據上述公式可計算得到分別為10°和37°。

2.2 追跟蹤對發電量的影響

逆向跟蹤對發電量的影響在使用PVsyst 軟件計算逆跟蹤對發電量的影響，需要考慮以下兩點：無論是否采用逆跟蹤技術，光伏方陣接受的直接輻射并沒有變，散射和反射可能有變化，一般情況下逆跟蹤的反而變小，也就是說，如果在PVsyst 軟件中采用“線性遮擋”模式，那么逆跟蹤方式的發電量反而會略小；如果在PVsyst 軟件中采用第三種陰影計算模式（根據Layout 組串連接模式），那么逆跟蹤應有明顯的優勢。

3 有限元模型

3.1 位移場分析結果

太陽能支架次梁位移場在次梁光伏板在均布荷載作用下，主梁約束處位移較小，跨中截面位移相對較大。其中最大撓度為11mm，出現在跨中截面。次梁兩端由于受到光伏板和主梁的空間約束作用，豎向位移最小、僅為0.07mm。計算結果符合連續梁在均布荷載作用下的位移分布規律。

3.2 應力場分析結果

梁次半徑中間部分的電壓是增加壓力和減少壓力，而支撐部分的張力則是增加張力和降低壓力。鑒于光伏板的強大空間限制對支撐部分的變形次梁，最大次梁電壓出現在支架的上側，最大荷載值為128MPa。范圍中心的最大張力電壓僅為68MPa，遠遠小于根據簡單持續次梁手動計算的最大荷載，不考慮光伏板的剛度。

因此，精細元件模擬分析可能反映不同截面之間的張力分布，準確確定結構張力最大張力的位置，檢查復雜的工作條件和邊界條件，以及人工計算過程中無法考慮的，并為工程設計提供整體位移和耐久性數據。此外，中心線張力的最大張力為59MPa，通過主梁和次梁的精細單元法計算的最大拉應力，小于鋼結構的強度，支撐結構的承載力安全可靠。

3.3 抗傾覆分析結果

僅考慮風電貨物最不利的反轉狀態，設計風荷載值為0.57kN/m2。光伏板單元用于施工，設計值為0.12kN/m2。主梁和立柱中心的最大張力為48MPa，邊梁與柱交叉處的最大拉力為47MPa，小于鋼材的抗拉強度。用于連接部件的平均扣為10kN、側扣為8kN。在風作用的情況下，接觸元件的法向力應分別為2.64kN 和2.58kN，小于皮帶扣的抗拉能力。因此，在不利風況下，結構反演計算是安全的。

4 基于有限元分析的支架優化設計

在我們進行機械結構的設計時，某些類型的機械結構是在某種程度上由實際工作所取決于現場的數值和實用公式。很難確定實際應用中的經驗數值，也很難確定它們的最高強度與其優化結構間的統一性，有限元分析軟件可以廣泛地應用于整體結構的設計中。

所謂的結構優化，應該是指為了在規定的結構優化時間內完成需要實現的所有設計目標，并且必須使用所具備的結構設計技術才能夠實現具備的最佳指標、或者說是具備的最低成本。可以實施拓撲優化與機械產品結構尺寸的優化，這為不同種類的機械產品在實施拓撲尺寸的優化提供了出發點。

4.1 拓撲優化分析

一般而言，結構優化是指將結構的設計變量依據不同程度地劃分成三個維度：即對結構尺寸的優化、形狀學上的優化和拓撲學上的優化。由于其在結構上的優化與形狀上的優化已經從較高水平發展到了更高水平，但仍然有許多缺陷，它們無法完全改變其整體結構拓撲。在這種情況下，人們開始研究拓撲學。

拓撲學的產生與其形成主要遵循兩個根據性的基本原則：一個就是退化性的原則，另一個就是發展性的原理。排除動力學原理的基本思路，在動力學優化之前把所有可能性元件或所有動力學材料都添加到動力學結構中，然后建立合適的動力學優化模型，通過一定的動力學優化手段和方法逐漸消除不必要的動力學結構元素；進化動力學原理的基本思路就是將一個動物發展的思路引入到一個動力學結構演變的生存中拓撲優化。它通過模擬人類適者生存、自然的選擇、適者生存等自然機制來獲得最優拓撲。

4.2 結構尺寸優化

以拓撲優化獲取的模擬量數據作為理論依據，運用了響應式曲面優化分析模塊來對其進行了結構和大小的優化。軸向載荷有時可能是在引起支撐層的厚度下降或增大而減小后，沿著該孔軸向運動方向變形的范圍逐漸擴展，所以我們需要在對該孔的結構和尺寸進行優化時充分考慮。

機械設計的復雜結構應采用精細元素分析的應用方法。靜力分析應主要分析二維和三維機械結構的變形、載荷和張力，這是機械工程中常見的分析內容，對于復雜結構的分析，需要通過靜力方法對結構荷載進行動態調節，用于研究結構的固定頻率特性和固有振動形式。施加的荷載為位移和應力，過渡動力分析可對上述分析進行動力分析，分析周期性載荷和非周期性載荷的動態響應。例如，在熱應力分析過程中，溫度應力可能分析工作結構中的溫度分布，接觸分析可用于分析非活動狀態，用于生成結構和傳遞機械結構的結構強度。

通過有限元軟件對各種機柜設備進行不同應用場景下的有限元分析，并根據實際應用場景的情況進行測量和實驗驗證，找出各種設備在機柜上存在的潛力和風險。經過多年綜合考慮和測試的結果，擬采取以下幾個措施，針對電子計算機系統中的一些薄弱環節予以優化與改善。

利用ANSYS 軟件進行有限元分析，獲取準確的機柜應力和應變模型，并根據實際工況進行試驗驗證，驗證ANSYS 軟件的分析結果，找出機柜的薄弱環節和潛在危害，并根據結果進行設計優化。通過有限元分析及樣柜的試驗驗證，提高了機柜設計的準確性，為機柜的設計提供了可靠的依據。

綜上，有限元分析法就是一種利用數學近似的方式對現實物理體系進行模擬。在便攜式裝置和設備塑料殼體的設計中，需要通過應用有限元分析的技術和方法來建立一個有限元的模型，對系統進行結構的分解，優化零件的結構，以便利用更小的材料和更低的成本來提高零件的剛度，提升綜合性能，使其滿足工業設計的需要。