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，在没有障碍物的平坦区域J ＝1.15。
根据初始计算条件，计算得风载荷W=62011Ν，光伏支架及电池板自重G＝14611Ν，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°=39025Ν。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＝41160Ν。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9～10所示。一阶振型为横向振动，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:高等教育出版社,2002

微信号：juhe-taiyangneng

业务咨询

北京管理中心：01088314711

地址：北京海淀首体南路9号中国风电

邮编：100048

生产基地：18211060996

地址：河北省黄骅市黄骅镇郑仁村