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 =gzsz 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gz为2.056。（3）根据GB50009-2001，风荷载体型系数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s正查表7.3.1，对于突出构件的负压区系数s负，取为-2.0。根据太阳能板的构造，按表7.3.1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为30，查表7.3.1确定正压区体型系数s正，负压区体型系数s负为-2.0。（4）根据GB50009-2001，高度变化系数z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。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l200，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10mm9.18mm，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S2 GB50017-2003，钢结构设计规范S3 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