某型光伏支架风载荷计算分析

1、某型光伏支架风载荷计算分析 摘 要：通过对某型光伏支架进行整体稳定性分析、结 构强度校核和有限元分析，为提高光伏支架抗风载能力和优 化结构方案提供了理论依据。引言 光伏电站大多设置在地广人稀的偏远地区或厂房屋顶等空 旷地带，为提高发电量，太阳能电池板大多倾斜放置，倾斜 角一般和安装场所的纬度一致，因此光伏支架阵列在多风地 区极易兜风，光伏支架的设计强度和稳定性若不能满足当地 抗风要求，极易损坏昂贵的太阳能电池板，带来光伏电站后 期养护成本的增加。 本文以某型光伏支架为列，研究光伏支架的风载荷计算方法， 为提高光伏支架抗风载能力和优化结构方案提供理论依据。 1 光伏支架载荷分析 1.1 计算模型

2、简介 某型光伏支架为整体阵列式结构，光伏支架的安装基础为水 泥支墩，由前支撑梁、后支撑梁、斜梁、横梁、斜拉钢筋等 快速组装而成。 取一个阵列的光伏支架进行计算， 共安装 42 块太阳能电池板，光伏支架计算模型如图 1 所示，光伏支架 局部视图如图 2 所示。 1.2 计算项目 一般情况下，作用在太阳能电池板上的载荷有太阳能电池板 及支架本身的自重、 风载荷和积雪载荷等。 与其他载荷相比， 积雪载荷可以忽略不计，作用在太阳能电池板上的风载荷通 过电池板连接件传递到光伏支架上，本文主要计算在风载荷 和自重载荷的作用下，光伏支架的整体稳定性、结构强度和 刚度特性，并对关键承重件进行强度校核。 2 整

3、体稳定性分 析 2.1 抗倾覆稳定性分析 光伏支架主要承受正风、逆风和侧风作用，在逆风作用下， 受力情况最为恶劣。当风从太阳能电池板正面吹来（正风） 时，合力的作用方向与底部框架的交点在底部框架范围内， 光伏支架不会倾覆。下面分析风从太阳能电池板背面吹来 （逆风）时光伏支架的抗倾覆稳定性。根据建筑结构荷载 规范，光伏支架风载荷 W 计算如下： 其中， Cw 为风力系数， 与支架倾角相关；为空气密度， 与 安装地区海拔高度相关； v 为最大瞬时风速； S 为太阳能电 池板面积 ;为高度补正系数，与支架高度有关系；I 为用途 系数，通常的太阳能光伏发电系统 I = 1; J为环境系数， 在没有障碍

4、物的平坦区域 J = 1.15。 根据初始计算条件，计算得风载荷 W=62011N，光伏支架及 电池板自重 G = 14611 N,风载荷产生的力矩 Mw = 109388N m 自重产生的力矩=15401N m 水泥支墩产生 的力矩Mg = 110132N m则光伏支架的抗倾覆安全系数为 2.2 水平方向稳定性分析 下面分析光伏支架的水平力，逆风时风载荷水平分力为 Wf =W sin39 =39025 N。地面与水泥支墩的摩擦系数取为 0.35 ，光伏支架和水泥支墩自重产生水平方向的摩擦力为： Ff = 41160 N。则光伏支架阵列水平面方向的稳定安全系数为 Ff /Wf = 1.2。3结

5、构强度校核 3.1 弯曲曲度校核 光伏支架的斜梁和横梁为关键结构承重件，主要承受由太阳 能电池板传递过来的风载荷，下面以斜梁为例进行弯曲强度 校核。根据风载荷计算结果进行载荷等效转换，斜梁计算模 型如图 3 示，弯矩及剪力图如图 4 所示，弯曲变形挠度及 转角计算结果如图 5 所示，弯曲变形应力计算结果如图 6 所 示。斜梁最大弯曲挠度为 3.3mm ，位于斜梁左端 1.56m 处， 最大弯曲应力为 61MPa ，位于斜梁左端 2.0m 处。根据钢 结构设计规范 A.1.1 第 4 项中规定，支承压型金属板结构 允许挠度为 2024/200=10.1mm ，弯曲变形挠度 3.3mm 小于 结构

6、允许挠度 10.1mm ，结构是安全的。 斜梁材料为 Q235 ，材料屈服极限为 235MPa ，弯曲强度安 全系数为 3.85。 3.2 压曲荷重校核 当风从太阳能板正面吹来（正风）时，光伏支架的前后支撑 梁承受压缩载荷，弯曲破坏的几率高于压缩破坏。根据欧拉 公式，压曲荷重计算公式为： 式中 Pk 为压曲荷重， I 为轴向截面二次力矩， n 由两端支 撑条件决定的系数， E 为材料纵向弹性系数， L 为轴长。 因后支撑梁较长，只需校核后支撑梁即可，根据欧拉公式， 其允许压曲荷重为 201829N 。在正风作用下， 后支撑梁承受 的风载荷和支架自重载荷为 3831N ，远小于允许压曲荷重， 结

7、构不会因压曲而损坏。 4 有限元分析 4.1 刚强度分析 为了解光伏支架阵列整体刚度情况，建立三维实体模型，应 用有限元分析方法对支架整体进行有限元计算。为简化计算 和提高计算速度，减小有限元网格数目，取两个水泥支墩跨 度的支架方阵进行有限元计算，光伏支架底座固定支撑，外 载荷为风载荷和支架系统自重。刚强度仿真分析计算结果如 图 7 和图 8 所示。最大变形仅约 3.7mm ，斜梁处最大应力为 52MPa ，前支撑梁处最大应力为 47MPa ，均小于材料的许 用应力，满足使用要求。 4.2 模态分析 为了解光伏支架的固有振型，对两个跨度的光伏阵列进行模 态分析，前二阶振型图如图910所示。一阶

8、振型为横向振 动，固有频率为 18.2Hz ，二阶振型为纵向弯曲振动， 固有频 率为 20.9Hz 。 5 结论 通过对某型光伏支架进行风载荷计算分析，得到如下结论： 1 ）支架整体稳定性分析、结构强度校核表明，支架抗风 载能力满足使用要求。 （2）由模态分析结果可知，支架阵列横向刚度偏低，因此 在支架阵列两端增加 2 组对称斜拉钢筋结构，以增加光伏阵 列的整体刚度。 （3）计算分析结果表明，可通过调整水泥支墩布置、型材 跨度、型材规格等设计参数，优化设计方案，提高支架的抗 风载能力。 参考文献： 1 刘树民.太阳能光伏发电系统的设计与施工 M.北京:科学 出版社 ,2006 2 刘鸿文 .材料力学 M. 北京