关键词：光伏支架；校核分析；优化设计；
我国经济的快速发展，能源在其中起着重要的作用，在人们的生存和发展中，能源是不可或缺的组成部分，在众多能源中可再生资源成为当前深受欢迎的一类资源。在可再生的清洁能源中太阳能，现在已经得到广泛的应用，太阳能的利用是通过光伏发电技术，将光能转变为电能，进而实现太阳能的利用。光伏发电在现实生活中有着积极的意义。
一、大型并网光伏电站系统的特点
面对能源危机，想要解决经济发展和环境污染的问题，需要开发利用新的能源，太阳能是清洁能源，也是可再生能源，取之不尽用之不竭，为此可以大力的开发使用太阳能。光伏发电作为清洁的可再生能源，具有独特的优势，有着非常广阔的发展前景。从当前的时代发展、环境等现状进行分析，为了促进光伏发电技术的发展，需要对大型并网光伏电站系统的设计进行优化设计。光伏电站系统在实际运行中体现出来的特点有：（1）随机性。在实际工作中，可以发现光伏电站发电具有一定随机性，也正是因为光伏发电站的这个特征，在其工作的过程中无法对电力平衡进行有效的计划和调度，在实际的工作中，也无法实现离网独立运行。（2）光伏电站系统的工作具有时间的限制。根据光伏发电的特性，其工作需要有太阳辐射能支持，所以其工作只能在白天进行。可以将光伏发电站的工作看作是随着太阳能的强弱变化而变化的，一般来讲光伏电站有效发电时间为上午九时至下午四时。（3）受天气的影响。从光伏发电站的工作原理上就可以看出，其工作将受到天气的严重影响，在其工作的过程中需要太阳能，受到雨雪雾云等天气因素影响时，其发电量将会出现严重的下降。（4）时刻处于备用状态。因为光伏发电以及光伏发电站自身的特性，在其工作的过程中，不能因为某种原因而随时的进行相关设备的启停，所以需要的工作的过程中，须保证相关设备和机械是处于备用的状态，为光伏发电站的工作提供帮助。（5）电能的远距离传输。随着我国经济的发展，对能源的需求，需要大力的开发和利用太阳能，要加大太阳能的收集和开发。但我国太阳能资源富集和项目开发集中在日照丰富的西部荒漠地区，西部地区由于经济发展不平衡，难以消纳如此巨量的电能，须远距离送电至东部经济发达地区消纳。
二、次镜支架参数化建模及优化设计
1.参数化建模。结构优化设计需要根据设定的输入参数开展有限元分析，再根据分析结果改变输入参数重新分析，以此形成闭合循环反馈，因此需要对结构进行参数化建模。目前，三维造型软件和有限元分析软件的接口不能适应优化设计的良好匹配需求，采用通用有限元分析软件ANSYS的脚本语言APDL编程实现参数化三维建模，并执行后续优化设计的系列任务。运用APDL语言按照实际结构建立点、线、面、体特征，其中比较重要和耗时的工作是详细解算各关键点在设定坐标系中的坐标。设截面在图中坐标系YZ面内，基座右端中心o为坐标原点。次镜座和基座的参数因外形尺寸及安装尺寸一定设为常量，即L（总长）、L1（次镜座长）、L2（基座长）、R1（次镜座外半径）、R2（基座外半径）、h（基座径向厚）不变。受限于系统外径以及避免挡光，支架梁杆高度限定在h内，设接杆AB边与CD边平行，接杆厚度为d，梁杆与接杆夹角为θ。根据上述结构参数在ANSYS中编程建立次镜支架的三维模型。根据轻量化和光学无热化设计需求，次镜支架采用铝合金材料。
2.次镜支架结构优化。基本优化问题的数学表达式一般可以表述为：F（X）为目标函数、X为设计变量，系n维向量；hi（X）、gi（X）分别为等式及不等式的约束函数。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目标函数一般求取最小值，该例在程序分析时设基频的倒数为目标函数，以求得最大基频，在数据后处理时为直观仍将基频视为目标函数。ANSYS优化设计主要过程包括：对已建立的参数化模型划分网格、施加约束、求解以及后处理，生成分析文件；在优化处理器（OPT）中指定分析文件，并声明设计变量（DV）、可选的状态变量（SV）以及目标函数（OBJ）；再选择优化工具或优化方法，指定优化循环控制方法，开展优化分析及数据处理。优化的过程实际上是一个控制过程，ANSYS提供了零阶和一阶两种优化方法。其中零阶方法只用到因变量而不用其偏导数，采用目标函数和状态变量的逼近方法，由约束的优化问题转换为非约束的优化问题，可以适应普遍的工程问题，迅速得到优化结果。一阶方法用因变量的导数来决定搜索方向，对目标函数添加罚函数，将问题转换为非约束问题，将有限元结果最小化，适于精确优化分析。综合这两种方法可获得最佳优化结果。增大次镜支架接杆宽度W可增大基频，但会使遮拦比增大，降低光学系统的传函值，该例中限定W为2.5mm。根据次镜支架的具体翼形结构，θ角决定了梁杆的悬臂轴向长度和接杆在轴向、径向的几何尺寸，对翼形结构影响较大，所以将θ视为主要设计变量，其边界范围为（90°，153.85°），最大外径2R2为Φ95mm，先设接杆在Z向厚度d与梁杆高度h相等。
三、光伏支架的优化设计
1.选用合适的支架材料。根据统计数据，在一个大型太阳能发电站项目中，建安成本占光伏项目总投资的21%左右，而太阳能光伏支架的投资仅占总成本的3%左右。因此，相对于太阳能电站高额的投资，支架成本的波动并不是敏感因素，选择高端支架的成本仅提高不足1%，然而如果选用的支架不合适，后期养护成本会大大增加，整体考虑并不合算。任何类型的太阳能光伏组件装配部件，最重要的特征之一是耐候性。需保证25年内结构必须牢固可靠，能承受如环境侵蚀，风、雪荷载和其它外部效应。安全可靠的安装，以最小的安装成本达到最大的使用效果、几乎免维护、可靠的维修、可回收，这些都是做选择方案时所需要考虑的重要因素。
2.底座有限元分析。底座是连接光伏支架方形立柱和圆管地桩的零件，目前我方项目普遍采用的底座单个重量大约为2.6kg。支架结构中，底座是重要的受力部位，且安装支架时需要大量使用。如何在保证安全可靠的前提下将其重量适当减小，以达到降低成本的目的，值得研究。经初步分析，拟将底座的高度由150mm减小为120mm，厚度由8mm减小为6mm，宽度也适当减小。现将新设计的底座在ANSYS中进行有限元分析，以确定其结构是否安全。根据地桩拉拔力的经验值，取20kN作为底座受到的竖直向上的力，并将其换算成面荷载施加在底座的螺栓孔位置。得出了底座的强度结果。为使计算方便，采用底座的1/2模型进行分析，加载时施加了对称约束。由计算结果可知，底座的最大应力103MPa，小于Q235钢的许用应力235/1.2＝196MPa，最大变形为0.1mm，符合规范要求，因此，重新设计的底座结构是安全的。
3.支架横梁有限元分析。为使力学计算方便，在SAP2000中对支架结构进行整体有限元分析时，常将支架横梁建模成简单的C型钢形式，这样计算结果就与真实结果有所出入。为准确计算出横梁在不同情况下的应力，在SAP2000中对整体结构进行计算后，再在ANSYS中对实际的冷弯内卷C型钢进行有限元分析，通过分析结果，可判定横梁结构是否安全。取一根4720mm横梁进行有限元分析。光伏支架在某地使用时，受到了自重、风荷载、雪荷载、温度荷载、地震等作用，将这些荷载进行组合，将最不利组合时的荷载换算成面荷载，施加在横梁上。
总之，随着我国经济的发展，资源短缺的矛盾日益突出，因地制宜发展新能源及可再生能源发电是解决后续能源问题的有效途径。
参考文献：
[1]刘和.大型光伏电站方阵优化设计研究.2017.
[2]孙萍.浅谈76m~2太阳光伏系统支架结构的力学分析与设计优化.2017.
论文作者:弓卫 肖江奇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期
论文发表时间:2020/3/16
标签：支架论文; 光伏论文; 太阳能论文; 底座论文; 荷载论文; 结构论文; 工作论文; 《科学与技术》2019年第18期论文;