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XXX1(1. 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 10mm>9.18mm ,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.