平单轴跟踪器受力分析研究

董长安 慎小宝 计策 野召忠

摘要：以某光伏电站为例，通过对平单轴跟踪器的受力状态、受力工况及荷载取值进行详细分析，确保在平单轴支架设计过程中充分考虑影响安全可靠性的各种因素;并对关键构件和节点逐一进行受力分析，意在让设计人员充分了解平单轴跟踪器的设计方法，提高平单轴跟踪器的安全可靠性。

关键词：平单轴跟踪器;安全可靠性;风致共振

中国分类号：TU312 文献标识码：A

Abstract：Taking a photovoltaic power station as an example，this paper studies on the force analysis，the endure force status and the load calculation of single axis solar tracker，to ensure that various factors affecting safety and reliability are fully considered in the design process. The stress analysis of key components and nodes is also carried out in detail，so that engineers can fully comprehend the design principle and improve the safety and reliability of single axis solar tracker.

Key words：Single axis solar tracker;Safety and reliability;Wind-induced resonance

引言

平單轴跟踪器通过天文算法跟踪太阳方位角提高组件表面接受到的辐照量，从而提高光伏电站的发电量;在高纬度地区相比固定支架有明显的发电量提高优势，因而得到了广泛应用，平单轴跟踪器属于一种机械专业和结构专业相结合产生的光伏支架装置，既要采用结构专业的设计思维，也要具备机械转动的功能要求;因此对受力状态和受力工况进行充分透彻的分析，对保证平单轴支架的安全稳定运行起着非常重要的作用。

1受力状态

平单轴跟踪支架根据其工作特点，受力可分为两种状态

正向受力状态：系统受电机驱动，系统受力来自电机驱动力，受风阻力、轴承处的摩擦力及系统自重产生的阻力等因素的影响，根据现场实际情况，平单轴支架在该状态下均能正常运行，本文不作重点阐述。

反向受力状态：系统受风荷载作用，系统电机起约束作用。根据现场实际情况，平单轴支架破坏多为该状态，本文对该状态重点进行分析。

2 受力工况

平单轴追踪支架系统具有大风保护功能，在风荷载达到预设的保护风速时，系统自动将组件平面调整为水平状态，以减小迎风面积，达到大风保护功能，故平单轴追踪支架应按以下两种工况进行设计。

工况一：组件与水平面呈45°状态，系统按照预设的保护风速对应的风荷载核算构件强度及稳定性。

工况二：组件与水面夹角小于10°，系统按项目地25年重现期的风荷载核算构件的强度及稳定性。

3 风荷载取值

大风在通过障碍物时，当风速增大到一定程度，会在障碍物尾部形成涡流，涡脱时会对结构引发横向激励，激励频率取决于风速。当组件与水平面有一定的夹角，迎风时，尾流涡脱会引起竖向激励，风的压力引起水平向的推力，当竖向频率与系统固有频率一致时，产生共振现象。即使组件处于水平状态，竖向激励依然存在。

支架属于对风敏感的结构体系，根据《荷载规范》8.4.2条，支架体系应考虑风压脉动对结构产生的风振影响。风荷载标准值按《荷载规范》8.1.1条取用：

上式中，Wk为风荷载标准值（KN/m2），βz为高度Z处的风振系数，μs为风荷载体型系数，μz风压高度变化系数，W0为基本风压（KN/m2）。

以某项目为例，保护风速为12m/s，对应的基本风压为0.09 KN/m2，25年重现期对应的基本风压为0.26 KN/m2。

风压高度变化系数：根据《荷载规范》8.2.1条，地面粗糙类别为B类，μz取1.0。

体型系数：根据《荷载规范》8.2.1条表8.3.1第29项，上部组件体型系数取1.4，下部组件体型系数取0.6。

风振系数：关于风振系数，《荷载规范》及《光伏发电站设计规范》等相关规范均未给出明确的取值规定，支架结构类似民用建筑的屋盖结构，其脉动风压除了和风速脉动有关外，还与流动分离、再附、旋涡脱落等复杂流动现象有关，难以简单采用风振系数方法。追踪支架属于对风荷载敏感的结构体系，且结构赘余度很低，为了考虑风振响应，建议按照《荷载规范》8.6.1条规定的维护结构的阵风系数考虑风振效应。当地面粗糙类别为B类高度5米处的风振系数取1.70。

根据以上取值及公式：

4 杆件受力分析

4.1 主轴抗扭计算

主轴截面为B120X3.0，扭矩用T表示，分项系数取1.4，主轴所受重力为对称荷载，不会对主轴产生扭矩，扭矩主要为风荷载的体型系数不对称产生。

T2> T1，按T2复核主梁强度及刚度。

根据材料力学，当分析等直矩形截面受扭杆件的应力及转角时，直接引用弹性力学的结果，对于闭口薄壁截面杆件：

上式中，τmax为最大剪应力，ψ为单位长度最大扭转角，A0为中线所围面积，δmin为薄壁杆件的最小壁厚，G为切变模量，S为壁厚中线的全长。

某项目为例：A0=117x117=14400mm2，δmin=3mm，S=117x4=468mm，G=79X103N/mm2

上式计算的单位长度转角单位为弧度，转化为角度为：

主轴半边长度16m总转角为0.63x16=10°，对应的振幅如下图：

由上图可知，在主轴抗扭刚度不足的情况下，由于主轴长度较长，虽然结构仍然处于弹性变形阶段，但主轴远端的最大振幅可大74cm，且由于驱动臂的约束作用，结构会发生变形不协调等情况，容易在风荷载作用下产生共振现象，对于结构整体承受风荷载及组件变形都极为不利。因此，行业内较为常用的措施是增加阻尼器，約束主轴远端的较大变形，但阻尼器的约束作用，取决于阻尼器的个体性能及与系统协同工作的整体性能，从某项目来看，阻尼器设置位置及连接方式等因素使阻尼器未能达到预期的工作效果。

4.2单排推拉臂受力分析

推拉臂为受弯构件，在工况二状态下，推拉臂所受的弯矩为两倍的T2，M=2T2=2×4.61=9.22 KN▪m如图：

推拉臂材质选用Q235级钢材，

强度复核：

稳定性复核：根据《钢结构规范》4.2.4条

h/b=120/120=1.0<6，l/b=1650/120=13.75<95

符合上述条件的箱型截面简支梁，可不计算整体稳定性。

根据以上强度和稳定性计算结果，力臂建议选择

B140X140X3.0，WX=73.5cm3

B120X120X3.0，WX=53.42cm3

4.3回转减速器受力分析

根据上述推拉臂的计算结果，回转减速器的受力主要为推拉杆传递的推拉力产生的弯矩，详见下图：

F1=M2/L=10.68kN▪M/1.65M=6.47kN

F=15F1=15×6.47=97kN

M=FL=97×1.65=160 kN▪m

根据上述计算可知，回转力臂在反向极限风荷载作用下，所承受的约束力矩很大，常规的薄壁材料无法满足要求，必须采用可靠的材料及结构形式才能保证节点的弯矩传递能力。

5 结语

平单轴破坏的原因很大程度是因为共振和薄壁构件固结节点的基本假定无法保证，共振的根本原因是因为结构本身的刚度不足，容易产生较大的变形，当风荷载脉动频率和结构固有频率相近时产生低频共振，导致结构体系的薄弱环节产生破坏。

建议在平单轴追踪支架体系设计时从以下方面增加体系的可靠性：

1）增加主轴的抗扭刚度，减小斜梁的挑出长度，以达到减小振幅的目的。

2）增设减小振幅的构造措施，如阻尼减震器等，减震器的设置位置应能保证减震器有效可靠工作。

3）加强节点处的构造措施，保证固结节点的基本假定。

4）设置减小风速的措施，如在迎风面布或设置风屏障。或在总图布置时选择有利位置，避免遭遇极限风荷载。

参考文献

[1]GB5009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[2]周承军 陈亮 陈创修 李科庆等. 平单轴光伏支架在大风保护状态时的最佳倾角研究[J]. 太阳能，2019，012（007）：52-5