鱼腹式光伏索桁架风振系数数值分析

2019-04-15中清能绿洲科技股份有限公司徐志宏侯国华张志强王文明樊慧强石建春

太阳能 2019年2期

中清能绿洲科技股份有限公司 ■ 徐志宏侯国华张志强王文明樊慧强石建春

0 引言

目前市场上的光伏支架根据所采用材料的不同，可以分为铝型材支架、钢支架及非金属支架；根据安装方式的不同，可分为固定式光伏支架及跟踪式光伏支架。而这些种类的支架仅能够满足小跨度距离的需求，随着光伏发电产业的迅速发展，以及国家对分布式光伏发电项目的大力支持，污水处理厂等需要大跨度光伏支架的分布式发电项目逐渐增多，而目前市场上的支架形式均不能满足要求。针对光伏市场对大跨度的需求，一种可适应大跨度的新型光伏支架——鱼腹式光伏索桁架支架(该专利已获得授权)被提出。该种支架借鉴了建筑领域中鱼腹式点支幕墙索桁架的结构形式，同时结合了光伏组件的应用特点，从而形成鱼腹式光伏索桁架支架。其与鱼腹式点支幕墙索桁架结构形式的区别在于：

1) 鱼腹式光伏索桁架支架与光伏组件的排布有关。

2) 鱼腹式点支幕墙索桁架中点支幕墙的玻璃是外围封闭，而鱼腹式光伏索桁架支架上的组件外部完全敞开，每排组件之间的间距(南北向)较大，同时，同一榀的组件与组件之间(东西向)也有较大缝隙。

3)组件与支架之间有倾角，会导致风荷载对组件的作用与幕墙领域中风荷载对玻璃的作用不同。

4)鱼腹式点支幕墙索桁架中点支幕墙的玻璃直接同撑杆爪件相连；而鱼腹式光伏索桁架支架上的组件先与2根平行的组件索相连，每个撑杆间距有5块组件，平行的组件索再同撑杆相连，即风荷载的传递方式不同。

鱼腹式光伏索桁架的主要受力构件是由上弦、下弦及组件承重柔性拉索和中间的撑杆组成，最终将力传到两侧的柱子上，通过柱子将力传向基础。光伏组件通过连接件与2根平行的拉索连接，这2根平行拉索位于鱼腹式光伏索桁架的上方，形成一个完整的受力体系。这种鱼腹式光伏索桁架已在深州某污水处理厂及郑州某污水处理厂得到了成功应用，如图1所示。

图1 郑州某污水处理厂的应用

通过对此种支架进行分析可发现，风荷载是该种支架的主要承受荷载，对支架的安全性起着决定性作用。根据GB 5009-2012《建筑结构荷载规范》，风荷载采用式(1)进行计算：

式中，Wk为风荷载标准值，kN/m2；μz为风压高度变化系数；βz为z高度处的风振系数；μs为风荷载体形系数；w0为基本风压，kN/m2。

然而，在《建筑结构荷载规范》及《索结构技术规程》中，并未对z高度处的风振系数βz的取值在光伏领域中的应用进行规定。本文通过ABAQUS数值模拟软件对该种支架的风振系数进行了研究，最终给出了一个理论的风振系数，为实际工程设计提供了理论依据。

1 物理模型

1.1 模型建立

利用ABAQUS数值模拟软件建立光伏组件索桁架空间结构计算模型，具体模型以深州某0.3MWp分布式光伏发电项目为例进行建立。

索桁架部分采用“杆单元”模拟，其中撑杆选择“beam单元”，拉索选择“truss单元”，所有尺寸与实际相符。光伏组件采用“壳单元”模拟，其长度为1658 mm，宽度为995 mm，厚度为6 mm；根据设计说明，光伏组件结构分为5层，上、下双玻层各厚2.5 mm，上、下EVA胶层各厚0.3 mm，中间夹的太阳电池厚0.4 mm；由于采用的“壳单元”模拟，故采用复合材料分层定义材性，这样更符合实际情况。组件与拉索之间采用4块槽钢板连接，为简化模型，采用“板单元”建模，同时用2块尺寸为600 mm×30 mm×10 mm的铝合金板替代槽钢板，满足实际要求。整体模型示意图如图2所示。

图2 整体模型示意图

1.2 边界条件

该模型所有边界条件均采用Displacement/Rotation边界约束条件，其中，半跨索桁架的4个支座处选用铰接的连接方式，分别约束4个位置3个方向的位移；由于只选用了一榀索桁架进行分析，根据实际情况，对结构出平面变形进行约束，在各竖杆上下两端点设置Y方向约束的边界条件，对称轴位置约束各个节点的X方向变形。本工程所有光伏组件与槽钢板之间、槽钢板与钢绞线之间均采用“tie绑定约束”，使光伏组件与索桁架之间受力协调、变形统一，主次面的选择符合实际要求，约束条件共计153个。