太阳能电池组件的有限元受力分析

太阳能电池支架的有限元受力分析XXX11. 浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058 【摘 要】 通过对一个太阳能电池支架的有限元计算分析，指出太阳能电池支架在实际应用中可能存在安全隐患。对于位于大风地区的太阳能电池支架应该进行计算分析，以确保在大风荷载下的安全性。【关键词】 有限元；受力分析；太阳能电池【中图分类号】 TU378 【 文献标识码】 B当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急， 能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时， 越来越多的国家开始实行 “ 阳光计划 ” ，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。 太阳能电池这种光伏发电的装置得到了人们的重视。 在建筑物上面的太阳能电池组件一般由太阳能板和支架构成。这些太阳能的支架多是由小尺寸的型钢和者铝材焊接而成。 支架负担的竖向荷载包括构架本身和太阳能电池板的重量。 值得注意的是， 多个太阳能电池板排列拼装后的面积通常都有几十甚至上百平方米， 尽管其竖向荷载比较小， 但在风力作用下，其水平荷载却可能很大。 所以在突刮阵风的时候， 可能出现太阳能电池板被吹翻或支架因受力过大而破坏的情况。本文通过对某太阳能电池支架的受力分析， 指出对于那些大风地区的太阳能电池支架应该进行计算分析， 以确保在大风荷载下的安全性。1 太阳能电池支架的受力分析1.1 太阳能电池支架概况某太阳能电池支架， 位于长江边某建筑顶部。 由于太阳能电池在建筑物顶部受到较大的风荷载作用， 需要对其安全性进行分析研究。太阳能电池支架是一个空间结构，作者采用有限元程序 ABAQUS6.7 进行了计算。 太阳能电池由许多块板阵列而成， 计算时取其中一个单元进行分析。1.2 计算荷载太阳能电池支架主要承受风荷载， 其参数取值如下（ 1 ） 根 据 建 筑 结 构 荷 载 规 范 GB50009-2001 ， 维护结构的风荷载标准值按下式计算w k β gzμ sμ z w 0 1 根据实际情况，采用的风荷载包括顺风、逆风两种情况，如图 1 所示。（ 2）根据 GB50009-2001 ，阵风系数 β gz 由计算位置距地面的高度 z， 查表 7.5.1 做插值计算可得。太阳能板距地面高度约为 12m，可确定阵风系数 β gz为 2.056。（ 3）根据 GB50009-2001 ，风荷载体型系数 μ s根据建筑物的体型， 查表 7.3.3 可得。当 验 算 围 护 构 件 及 其 连 接 强 度 时 ，GB50009-2001 还规定要采用局部风压系数对于外表面，正压区系数 μ s 正 查表7.3.1，对于突出构件的负压区系数 μ s 负 ，取为 -2.0。 根据太阳能板的构造， 按表 7.3.1逆风荷载顺风荷载顺风逆风图 1风荷载示意图中第 29项非封闭单坡顶盖的有关规定计算。太阳能板与底面夹角 α 为 30，查表 7.3.1确定正压区体型系数 μ s 正 ， 负压区体型系数μ s负 为 -2.0。（ 4） 根据 GB50009-2001 ， 高度变化系数 μz 由地面粗糙度、计算位置距地面高度 z 来确定。 本工程中太阳能板位于密集建筑群的城市市区， 地面粗糙度为 C 类。 太阳能板距地面的高度为 12m，查表 7.2.1，取 μ z 为0.74。（ 5）根据式 1，最终确定风荷载标准值 w k如下图 2 所示 。逆风荷载顺风荷载顺风逆风图 2 风荷载示意图（ kPa）1.3 有限元计算模型整个太阳能电池组件包括太阳能板 2块，导轨、立柱、斜梁各 2 根，规格如表 1所示。表 1 太阳能电池组件规格组件 规格（ mm）太阳能板（ 2 块） 1652*994*40 导轨（ 2 根） 长 2100 立柱（ 2 根） 长 800 斜梁（ 2 根） 长 1600 太阳能电池组件的有限元模型如图 3 和图 4 所示。模型中导轨的材料为铝合金，立柱和斜梁的材料为钢材。由于由立柱、 斜梁和导轨组成的太阳能板的支架各连接部位都是靠螺栓连接， 属于刚性连接， 太阳能板与支架直接的接触形式也是刚接。图 3 太阳能板 图 4 太阳能支架1.4 计算结果及分析在风荷载和竖向荷载 重力荷载 作用下， 太阳能电池支架上受到的应力如图 5 所示。从图上可以看出，立柱、斜梁和导轨上受到的最大应力为 24.44MPa，发生在顺风的情况下。 该最大应力小于钢材和铝材的屈服应力，所以从内力角度来看，是安全的。在风荷载和竖向荷载 重力荷载 作用下，太阳能电池支架上的变形如图 6 所示。从图上可以看出， 在顺风情况下， 导轨的变形最大，侧向变形达到 9.18mm。我国钢结构设计规范 GB50017-2003 中，对于受弯构件挠度的允许值做出了规定。 其中， 对于墙架构件，允许挠度为 l ／ 200， l 为受弯构件的跨度。 太阳能板的导轨的跨度为 2m，所以允许挠度为 10mm9.18mm ，在允许范围内，但已接近允许挠度。立柱和斜梁的变形不大，远小于允许值。（ a）顺风时 （ b）逆风时图 5 太阳能电池支架应力图（ mises 应力）（ a）顺风时 （ b）逆风时图 6 太阳能电池支架变形图2 结语通过本实例的分析不难看出， 该太阳能电池支架在风荷载作用下， 受到的应力是远小于材料的屈服强度， 但构件的变形已很接近允许挠度，可能存在安全隐患，特别经过一段时间环境腐蚀后， 构件在较大的风荷载作用下可能会失效。 因此作者认为， 对于那些大风地区的太阳能电池支架应该进行计算分析，以确保在大风荷载下的安全性。参考文献[1] GB50009-2001 ，建筑结构荷载规范［ S］ ．[2] GB50017-2003 ，钢结构设计规范［ S］ ．[3] 庄茁，张帆． ABAQUS 非线性有限元分析与实例 [ M] ．北京科学出版社， 2004．[4] 陈建伟．某工程网架水平推力对支承框架的影响 [J]．低温建筑技术， 2007．