黄光华 张健 吴行

摘 要：平单轴追日系统通过连杆机构实现多阵列联动，在控制系统与驱动系统的配合作用下实现发电效率提升，其中驱动单元的主梁连接部位是关乎系统可靠性的核心部件，本研究结合有限元计算结果测试了预紧螺栓在特定扭矩下的防松效果，对主梁连接件的强度、变形以及各部件之间的相对位移进行了计算分析，结合计算结果论证追日支架的结构可靠性。同时依据研究结果提出了主梁连接防松的改进建议。

关键词：追日系统；平单轴；有限元；支架强度；防松力矩

中图分类号：S954.1 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0019-03

Abstract： The horizontal single axis tracking system realizes the multiarray linkage through the linkage mechanism. The power generation efficiency is realized by the coordination of the control system and the drive system. The connection part of the main beam of the driving unit is the core component of the system reliability. This study tests the pretightening bolt under the specific torque with the finite element calculation results. The strength and deformation of the connecting parts of the main beam and the relative displacement between the components are calculated and analyzed， and the structural reliability of the bracket is demonstrated by the calculation results. At the same time， based on the research results， suggestions for improvement of main girder connection and loosening prevention are put forward.

Keywords： solar tracker； horizontal single axis； finite element； stent strength； anti-loosing moment

引言

随着国家对光伏产业扶植政策的收紧，光伏行业的竞争日趋白热化。传统固定式光伏电站的投资收益已经无法满足市场需求，为了提升光伏产品竞争力以及投资回报率必须对光伏电站进行技术革新，追日型光伏电站作为目前替代传统固定式电站最为可行的技术方案，将是未来光伏行业发展的主流方向。

追日型光伏电站常见的结构形式包括平单轴、斜单轴以及双轴追日系统，其中平单轴追日系统具有土地利用率高，安装便利等优势，依据Pvsyst仿真计算结果，平单轴追日系统年发电效率相对于固定式光伏电站可提高10%以上，适宜结合农光互补政策大面积推广。关键的技术难点是多阵列联动过程中主梁的扭转强度问题以及主梁连接件的防松问题。

然而，已有光伏追日支架的研究大多针对支架的静态强度，对于追日支架在运动过程中的扭转强度以及防松问题研究较少。本研究结合仿真计算结果，对试验电站主梁连接位置抗扭转能力进行实测，结合结果改进了主梁连接方式，显著提升主梁防松能力以及安装效率。

1 平单轴追日系统简介

如图1所示，平单轴追日系统包含组件、支架、太阳能跟踪控制器、驱动系统以及逆变器等结构。其中太阳能跟踪控制器以及驱动机构是确保追日系统发电效率的关键部件，驱动系统常用结构为电机与减速机相组合，太阳能跟踪控制器则包含2种控制模式以提升追日系统对天气的应变能力。

理论上当太阳入射光线与组件垂直时，组件对太阳能的接收效率最高，为了实现组件与太阳之间始终呈现最佳接收角度，追日系统需在控制系统以及驱动机构的联合作用下实现角度实时变化。

太阳能跟踪控制器作用模式根据跟踪原理的不同可分为太阳运动轨迹跟踪（时控）以及光电式跟踪（光控），成熟控制系统通过两种太阳跟踪方法相结合的方式来提升追踪精度，当出现阴天等光照条件较弱的天气时切换为时控，光照条件好时自动切换为光控。夜晚在限位开关的配合作用下实现归位，同时还可以与风速仪以及越深仪配合使用，实现在大风模式下自动调平。

2 理论分析

追日支架相对于传统固定式支架需要承受驱动机构施加的动载，在阵风作用下需考虑阵列之间的相互作用，整体刚度要求较高。为了确保支架的安全性必须对最终支架在组合环境载荷作用下的应力分布以及变形挠度进行计算。

2.1 雪载荷受力分析

上式（1）中S为积雪荷重，Cs为坡度系数，P为雪的平均单位质量（相当于积雪1cm的质量，面积为1m2的质量）一般的地方19.6N以上，多雪区域为29.4N以上。Zs为地上垂直最深积雪量（cm），As为积雪面积。太阳能电池阵列列面的设计用积雪量设定为地上垂直最深的积雪量（Zs），但是，经常扫雪而积雪量减少的场合，根据状况可以减少Zs值。其中坡度系数如表1所示。

2.2 风速载荷受力分析

本文設计的光伏组件支架校核在十级风（27m/s）的风速下强度、挠度是否满足要求。

2.2.1 正应力校核

2.2.2 对挠度进行校核

式中l0为梁的计算跨度；S为与荷载形式、支承情况有关，对均布荷载作用的简支梁S=5/384；E为弹性模量；M为跨中最大弯矩；EI为截面抗弯刚度。纵向计算同上。

3 有限元仿真分析

3.1 计算模型

当追日系统旋转到极限倾角45°时所承受的风载最大，如图2所示，对单组件分段施加风载、雪载以及重力载荷作用，计算各部件在25年一遇环境载荷作用下的应力应变分布以及最大变形。

3.2 计算结果

如图3（a）所示，主梁支架结构整体满足强度要求，但是横梁固定件在25年一遇大风模式（10级）下会发生塑性变形，后续将逐步改进为内部加筋结构。

主梁以及横梁变形挠度符合规范要求，如图4（b）所示其中横梁固定件与主梁之间的最大相对滑动位移为0.2mm，满足安全使用要求。

3.3 试验验证

由于单根主梁长度有限，同时大长度主梁变形挠度难以满足工程使用要求，必须将主梁设计为特定长度，同时结合计算结果采取合适的连接方式进行连接紧固。

其中常用的连接方式有抱箍连接以及采用过渡件加螺栓对穿连接两种方式，如图5所示，采用过渡件对穿连接时必须保证螺栓的预紧扭矩达到特定值才能满足防松要求。

本设计选用M14-10.9级螺栓进行对穿连接，为了防止主梁在扭转时发生松动，螺栓的预紧扭矩需大于200Nm，此时主梁的局部孔位最大应力为185MPa，可以满足强度要求。

为了验证计算结果的准确性，设计图6所示的扭转试验，对主梁施加10级大风模式作用下的等效扭矩，然后测试螺母的预紧扭矩。

对主梁施加6550Nm扭矩24小时后，通过测量试验前后螺栓的预紧扭矩是否发生变化来判定主梁是否发生松动。如图7所示，测试前后螺母扭矩实测值为200Nm±1.2Nm，因此判定对对穿螺栓施加200Nm预紧扭矩时可以满足防松要求。

4 结束语

（1）追日支架的主要设计难点为主梁的过渡连接以及防松设计，采用本设计的对穿螺栓连接方式时必须对螺栓施加大于200Nm的预紧扭矩，否者无法满足防松要求。

（2）横梁过渡件的设计无法满足强度要求，两侧腹板过于单薄，容易张开，通过改进为内部加筋的结构可以解决该问题。

（3）风载在追日支架的结构设计中为主要考虑因素，

需结合使用环境综合计算顺风以及逆风模式下的支架强度。

参考文献：

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