太陽(yáng)能電池組件的有限元受力分析

1、 太陽(yáng)能電池支架的有限元受力分析xxx1(1. 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)【摘 要】： 通過(guò)對(duì)一個(gè)太陽(yáng)能電池支架的有限元計(jì)算分析，指出太陽(yáng)能電池支架在實(shí)際應(yīng)用中可能存在安全隱患。對(duì)于位于大風(fēng)地區(qū)的太陽(yáng)能電池支架應(yīng)該進(jìn)行計(jì)算分析，以確保在大風(fēng)荷載下的安全性?！娟P(guān)鍵詞】：有限元；受力分析；太陽(yáng)能電池【中圖分類(lèi)號(hào)】：tu378 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】：b 當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問(wèn)題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。太陽(yáng)能電池這種光伏發(fā)電的裝置得到了人們的重視。在建筑物上面的太陽(yáng)能電池組

2、件一般由太陽(yáng)能板和支架構(gòu)成。這些太陽(yáng)能的支架多是由小尺寸的型鋼和者鋁材焊接而成。支架負(fù)擔(dān)的豎向荷載包括構(gòu)架本身和太陽(yáng)能電池板的重量。值得注意的是，多個(gè)太陽(yáng)能電池板排列拼裝后的面積通常都有幾十甚至上百平方米，盡管其豎向荷載比較小，但在風(fēng)力作用下，其水平荷載卻可能很大。所以在突刮陣風(fēng)的時(shí)候，可能出現(xiàn)太陽(yáng)能電池板被吹翻或支架因受力過(guò)大而破壞的情況。本文通過(guò)對(duì)某太陽(yáng)能電池支架的受力分析，指出對(duì)于那些大風(fēng)地區(qū)的太陽(yáng)能電池支架應(yīng)該進(jìn)行計(jì)算分析，以確保在大風(fēng)荷載下的安全性。1 太陽(yáng)能電池支架的受力分析1.1太陽(yáng)能電池支架概況某太陽(yáng)能電池支架，位于長(zhǎng)江邊某建筑頂部。由于太陽(yáng)能電池在建筑物頂部受到較大的風(fēng)荷載作

3、用，需要對(duì)其安全性進(jìn)行分析研究。太陽(yáng)能電池支架是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，作者采用有限元程序abaqus6.7進(jìn)行了計(jì)算。太陽(yáng)能電池由許多塊板陣列而成，計(jì)算時(shí)取其中一個(gè)單元進(jìn)行分析。1.2計(jì)算荷載太陽(yáng)能電池支架主要承受風(fēng)荷載，其參數(shù)取值如下：（1）根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范gb50009-2001，維護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算： w k =gzsz w 0 (1)根據(jù)實(shí)際情況，采用的風(fēng)荷載包括順風(fēng)、逆風(fēng)兩種情況，如圖1所示。（2）根據(jù)gb50009-2001，陣風(fēng)系數(shù)gz由計(jì)算位置距地面的高度z，查表7.5.1做插值計(jì)算可得。太陽(yáng)能板距地面高度約為12m，可確定陣風(fēng)系數(shù)gz為2.056。（3）根據(jù)gb500

4、09-2001，風(fēng)荷載體型系數(shù)s根據(jù)建筑物的體型，查表7.3.3可得。當(dāng)驗(yàn)算圍護(hù)構(gòu)件及其連接強(qiáng)度時(shí)，gb50009-2001還規(guī)定要采用局部風(fēng)壓系數(shù)：對(duì)于外表面，正壓區(qū)系數(shù)s正查表7.3.1，對(duì)于突出構(gòu)件的負(fù)壓區(qū)系數(shù)s負(fù)，取為-2.0。根據(jù)太陽(yáng)能板的構(gòu)造，按表7.3.1圖1：風(fēng)荷載示意圖中第29項(xiàng)非封閉單坡頂蓋的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。太陽(yáng)能板與底面夾角為30°，查表7.3.1確定正壓區(qū)體型系數(shù)s正，負(fù)壓區(qū)體型系數(shù)s負(fù)為-2.0。（4）根據(jù)gb50009-2001，高度變化系數(shù)z由地面粗糙度、計(jì)算位置距地面高度z來(lái)確定。本工程中太陽(yáng)能板位于密集建筑群的城市市區(qū)，地面粗糙度為c類(lèi)。太陽(yáng)能板距地面

5、的高度為12m，查表7.2.1，取z為0.74。（5）根據(jù)式1，最終確定風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w k如下圖2所示。圖2 風(fēng)荷載示意圖（kpa）1.3 有限元計(jì)算模型整個(gè)太陽(yáng)能電池組件包括太陽(yáng)能板2塊，導(dǎo)軌、立柱、斜梁各2根，規(guī)格如表1所示。表1 太陽(yáng)能電池組件規(guī)格組件規(guī)格（mm）太陽(yáng)能板（2塊）1652*994*40導(dǎo)軌（2根）長(zhǎng)2100立柱（2根）長(zhǎng)800斜梁（2根）長(zhǎng)1600太陽(yáng)能電池組件的有限元模型如圖3和圖4所示。模型中導(dǎo)軌的材料為鋁合金，立柱和斜梁的材料為鋼材。由于由立柱、斜梁和導(dǎo)軌組成的太陽(yáng)能板的支架各連接部位都是靠螺栓連接，屬于剛性連接，太陽(yáng)能板與支架直接的接觸形式也是剛接。 圖3 太陽(yáng)能

6、板 圖4 太陽(yáng)能支架1.4 計(jì)算結(jié)果及分析在風(fēng)荷載和豎向荷載(重力荷載)作用下，太陽(yáng)能電池支架上受到的應(yīng)力如圖5所示。從圖上可以看出，立柱、斜梁和導(dǎo)軌上受到的最大應(yīng)力為24.44mpa，發(fā)生在順風(fēng)的情況下。該最大應(yīng)力小于鋼材和鋁材的屈服應(yīng)力，所以從內(nèi)力角度來(lái)看，是安全的。在風(fēng)荷載和豎向荷載(重力荷載)作用下，太陽(yáng)能電池支架上的變形如圖6所示。從圖上可以看出，在順風(fēng)情況下，導(dǎo)軌的變形最大，側(cè)向變形達(dá)到9.18mm。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50017-2003中，對(duì)于受彎構(gòu)件撓度的允許值做出了規(guī)定。其中，對(duì)于墻架構(gòu)件，允許撓度為l200，l為受彎構(gòu)件的跨度。太陽(yáng)能板的導(dǎo)軌的跨度為2m，所以允許撓度為10mm>9.18mm，在允許范圍內(nèi)，但已接近允許撓度。立柱和斜梁的變形不大，遠(yuǎn)小于允許值。 （a）順風(fēng)時(shí) （b）逆風(fēng)時(shí)圖5太陽(yáng)能電池支架應(yīng)力圖（mises應(yīng)力） （a）順風(fēng)時(shí) （b）逆風(fēng)時(shí)圖6 太陽(yáng)能電池支架變形圖2 結(jié)語(yǔ)  通過(guò)本實(shí)例的分析不難看出，該太陽(yáng)能電池支架在風(fēng)荷載作用下，受到的應(yīng)力是遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，但構(gòu)件的變形已很接近允許撓度，可能存在安全隱患，特別經(jīng)過(guò)一段時(shí)間環(huán)境腐蝕后，構(gòu)件在較大的風(fēng)荷載作用下可能會(huì)失效。因此作者認(rèn)為，對(duì)于那些大風(fēng)地區(qū)的太陽(yáng)能電池支架應(yīng)該進(jìn)行計(jì)算分析，以確保在大風(fēng)荷載下的安全性。參考文獻(xiàn)1 gb50009-20