沈勝伊 董春穎

【摘 要】目前，發(fā)電效率最高的光伏設備是跟蹤式光伏發(fā)電設備，是市場熱點和主流產(chǎn)品。此類設備始終跟蹤太陽的方位和仰角運動，最大限度保證光伏板垂直于光照方向。有關(guān)跟蹤式光伏發(fā)電設備的風載荷計算和分析方面的研究逐漸成為光伏領(lǐng)域的研究焦點。本文主要研究：用流固耦合法計算光伏支架的最大風載荷，用單純形法優(yōu)化和改進了光伏支架的結(jié)構(gòu)。本文方法，可用于光伏支架減重和降低成本，對跟蹤式光伏發(fā)電設備研制有工程指導意義和實用價值。

【關(guān)鍵詞】風載荷;仿真分析;結(jié)構(gòu)設計;光伏發(fā)電

一、研究背景

跟蹤式光伏發(fā)電設備主要分為平單軸跟蹤（東西軸或南北軸跟蹤）、斜單軸跟蹤（地心軸跟蹤）和雙軸跟蹤（回轉(zhuǎn)軸和俯仰軸跟蹤）三種。其中，雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設備是本文的研究對象，它有兩個回轉(zhuǎn)軸，分別旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的方位和仰角，保持光伏板始終跟蹤太陽運動，發(fā)電效率較固定式提高35%左右。

雙軸跟蹤式光伏發(fā)電設備光伏支架抗風能力較弱，剛性差，影響設備安全性和跟日發(fā)電量。

本文的研究目的是解決跟蹤式光伏發(fā)電設備支架性能不夠的工程實際問題，對該設備研發(fā)設計有工程指導意義。

二、跟蹤式光伏支架結(jié)構(gòu)

跟蹤式光伏發(fā)電設備的結(jié)構(gòu)由支撐柱、雙軸驅(qū)動減速器、支撐架和光伏板組件組成。跟蹤式光伏支架主要包括支撐架和支撐柱。支撐架由多個H型鋼、槽鋼、C型鋼、方鋼管焊接而成，起到固定和支撐光伏板的作用，單個型鋼的主要受力形式為彎曲力矩和剪切力。支撐柱由兩段直徑分別為203mm和299mm的圓管法蘭連接而成，是固定光伏支架的重要承載部件。

光伏支架主要承受光伏組件的風載荷、光伏重力及自身重力，如果支架設計不合理，風載荷過大會發(fā)生過大的彎曲變形，甚至損壞設備，因此對光伏支架受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得十分必要。

三、流固耦合風載荷計算方法

1.流固耦合方法

流固耦合是研究固體在流場作用下的各種行為及固體位移對流場影響與相互作用的一種理論方式。重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會產(chǎn)生變形或運動，變形或運動又反過來影響流體。進行流體與固體之間的耦合分析，相比與僅僅進行流場或者結(jié)構(gòu)分析更能貼合實際問題，同時提高了準確度。

2.光伏板風載荷流固耦合計算

本文使用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件的流固單向耦合模塊，采用分離耦合求解方法，首先仿真回轉(zhuǎn)角0°、俯仰角90°光伏板風載荷，然后將支撐架作為梁模型繪制在光伏板表面，其次添加支架中心點固定約束，最后將流體載荷耦合到固體靜力學進行仿真。該方法考慮了實際風壓的分布特性，計算結(jié)果更準確。

仿真極限風載荷環(huán)境的假設條件，根據(jù)《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》（GB50797-2012）支架載荷計算規(guī)定來確定。按《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》（GB50009-2012）中25年一遇載荷取值，查表計算后，可得沈陽地區(qū)25年重現(xiàn)期風速為28m/s[1，2]。

四、光伏支架風載荷仿真

1.支架應力仿真分析

圖1為光伏支撐架應力云圖，最大應力出現(xiàn)在150×75型鋼與175H型鋼的連接位置（c點），此處截面尺寸變化大，容易應力集中，主要受彎曲應力和剪應力。最大應力值為170.8Mpa，大于.許用應力142Mpa，在極限風速環(huán)境下有失效的可能。

通過應力分析，發(fā)現(xiàn)各個零件受力不均衡，其中抗彎強度較大的175H型鋼和140方鋼管應力很小，說明結(jié)構(gòu)設計不合理。優(yōu)化方向：將150×75H型鋼的彎矩載荷轉(zhuǎn)移到175H型鋼和140方鋼管上，達到降低最大應力的目的。

支撐柱最大應力在圓管根部，最大應力值為116Mpa，小于許用應力值。通過應力分析可知：支撐座的強度較高，安全可靠，無需進一步優(yōu)化。

2.形變量仿真分析

圖2為光伏支撐架結(jié)構(gòu)位移云圖，C型鋼邊緣（a點）形變量最大，最大形變34mm，大于許用形變量20mm，風大時會影響跟蹤效果和發(fā)電效率，降低發(fā)電量。

通過形變量分析，發(fā)現(xiàn)C型鋼a到b段剛性較差，b到c段剛性很好。優(yōu)化方向：將b到c段支撐型鋼移動到a到b段，提高C型鋼a到b段的剛性，達到降低最大形變量的目的。

五、光伏支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上文可知，初步設計的光伏支撐架有以下幾個問題：支撐架局部強度不夠，H型鋼連接部位出現(xiàn)應力集中，最大應力大于許用應力;支撐架剛性不夠，支撐架邊緣形變量較大，最大形變量大于許用形變量。Nelder-Mead單純形法是一種用來求實值函數(shù)最小值的算法[3]，本文使用COMSOL Multiphysics優(yōu)化研究模塊，用Nelder-Mead單純形法優(yōu)化方法優(yōu)化支撐架結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設計任務是改變型鋼的安裝位置，在滿足強度和剛性的前提下，還要支撐架質(zhì)量最小，盡量降低支架成本。

六、優(yōu)化后結(jié)構(gòu)仿真分析

1.應力仿真分析

仿真分析應力最大地方出現(xiàn)在140方管中間位置，該位置連接減速器，最大應力值為140.8Mpa，最大應力值小于許用應力值，滿足強度設計要求。

2形變量仿真分析

仿真分析形變最大的地方為上端C型鋼，最大形變14.76mm，小于許用形變量，優(yōu)化后支撐架剛性好，設備在運行中可以穩(wěn)定跟蹤太陽，提高跟蹤發(fā)電效率，滿足剛性設計要求。

6.4.5 結(jié)論

通過表1對比優(yōu)化前后的仿真數(shù)據(jù)，分析可得：優(yōu)化前的支撐架，其最大應力為170.8Mpa，最大形變量34mm，質(zhì)量為549.3kg，不滿足極限風載荷的設計要求;優(yōu)化后的支撐架，其最大應力為140.8Mpa，最大形變量14.76mm，質(zhì)量為503kg，滿足設計要求。支撐架優(yōu)化后最大應力更小，最大形變量更小，質(zhì)量更輕。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后最大應力降低18%，最大形變降低57%，質(zhì)量降低8%，優(yōu)化效果明顯。

本研究通過使用COMSOL Multiphysics軟件的流固耦合模塊，仿真得到了光伏板最大風載荷;采用Nelder-Mead 單純形法優(yōu)化方法，對模型結(jié)構(gòu)尺寸進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后支架質(zhì)量更輕，強度和剛性更好。本文的風載荷仿真方法和優(yōu)化設計方法對光伏設備的研發(fā)設計有工程指導意義。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準.（GB 50797-2012）光伏發(fā)電站設計規(guī)范.2012.

[2]中華人民共和國國家標準.（GB 50009-2012）建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范.2012.

[3]馬昌訓，吳運新，唐宏賓等.基于Nelder-Mead算法的插裝閥AMESim仿真模型優(yōu)化設計[J].機床與液壓，2011，39（01）：86-88.

（作者單位：1.沈陽佳曄能源科技股份有限公司;2.沈陽飛亞水藝園景工程有限公司）