光伏支架设计受力分析

1、光伏支架设计受力分析太阳能电池阵列用支架强度计算在太阳能电池阵列用的支架设计时，为了使其成为能承受各种荷重的支架，要 考虑用什么样的材料，且用多少，再根据计算确定强度。这里，以安装结构最简 单的太阳能电池组件(横置型)上下共5块的小型支架作为例子，介绍强度计算方法 (见图5.43)序号名称 数量 材质 工艺 备注1太阳能组件5 2组件安装用角钢框架2SS400热浸镀锌L50*50*t6 3框架1 SS400热浸镀锌L50*30*3 4支撑臂2SS400热浸镀锌L50*30*t6 5底角钢4 SS400热浸镀锌6框架安装螺栓4SUS304 7支撑臂安装螺栓2 SWRM热浸镀锌M14 8基础安装螺

2、栓4 SWRM热浸镀 锌M14图5. 43小型太阳能电池阵列用支架9地脚螺栓1. 设计条件(1)设计对象一个搞太阳能电池组件，用位于左右的2个角钢框(L50*50*t6)和4组M8螺栓，螺母安装。这里的2个角钢框，上端连接框架，下端与底角钢连接，还有上端 山2个支撑臂(L50*50*t6)支撑，相对水平有45?角，再用6组M14螺栓，螺母固 定。(2)强度计算条件1?.根据表5. 6,假设为一般地方最大荷重。采用固定荷重G和因暴风雨产生的风压荷重W的短期复合荷重。2?.没有积雪的一般地区，最大风速设定60m/so2. 强度计算计算因从支架前面吹来(顺风)的风压及从支架后面吹来(逆风)的风压引起

3、的材 料的弯曲强度和弯曲量，支撑臂的压曲(圧缩)以及拉伸强度，安装螺栓的强度等, 并确认强度。(1) 结构材料角钢框及支撑臂采用L50*50*t6,因此截面二次力矩I和截面系数Z山热轧成 型M钢的截面特性表(JIS G 3192)得到下面数值。因为是等边直角型钢，取X轴，Y轴向的任何以方向都是同样的数值4 1=12. 6cm M3 Z=3. 55cm(2) .假想荷重1 ?固定荷重(G)组件质量 G二5. 5KG*5二27. 5KG二269 M角钢框自重 G二4. 43KG/m*2. 2m*2二 19. 5kg=191X KI框架自重 G二 1. 36kg/m*l. Om=l. 36kg=13

4、N K2其他架构材料，防水接线箱，驱鸟棒等(G)=3kg二29N K3固定荷重 G二269+191+13+29二502 (X)2 ?风压荷重(W)。假设从阵列前面吹来的风(顺风)的风压荷重为W(),从式(5. 5)式(5. 8)导出21 W=*(C*p*V*S)*a*I*J (5.24) W02式中C风力系数=1.06(见图5. 40) W24 P空气密度二1. 27N?S/mV风速二60m/s 0S面积二2. 2*1. 0=2. 2 (m?)411 a 高度补正系数=0=0. 833 (上是角标)1055I用途系数二假设为通常的太阳能光伏发电系统，系数为1J环境系数二假设为像海上那样没有障碍

5、物的平坦地，系数为1. 1521W二*1. 06*1. 274*60*2. 2*0. 833*1*1.15=5123 (N) 2从阵列后面吹来的风(逆风)的风压荷重为W (),风力系数变更为C风力 系数=1.43(见图5.40) W12W =*1.43*1. 274*60*2. 2*0. 833*1*1. 15=6911 (N) 2该风压荷重W对太阳能电池阵列作为上吹荷重(扬力)起作用。3?总荷重。顺风时的总荷重G+W可曲下式表示：G+W二G+G+G+G+W MK1K2K3二269+191+13+29+5123二5625(N)逆风时固定荷重G与重力方向一致，但因为W 作为上吹荷重(扬力)起作用

6、，因此总荷重变为G- VG- W z = G+G+G+G- W MK1K2K3二269+191+13+29-6911 二-6409 (N) (3)悬空横梁模型角钢框架如图5. 44所示，认为是受到均布荷重的悬空横梁(也称悬臂梁)从A点至C点间均布荷重作用名为使角钢框架不被破坏地找平衡，在A点，B点上产生对荷重的反作用力和力矩.作用于A点，B点的反作用力，可以分为两个部分，即A-B间部分两端的简支 梁和B-C部分的悬臂梁考虑。(4)A-B间的弯曲应力顺风时A-B点上发生的弯曲力矩M,由下式表示：WL22 M=(式中是 L) (5. 27) 18170式中W单位长度的质量=(5625*)/1. 7

7、=2557(N/M) 220L跨距长1. 7m2557*1. 7*1.7 则有 M=924 (N?M) 18应力o由下式表示1M o= (5.28) 1Z因为角钢框架使用L50*50*t6,所以截面系数Z二3. 55cm?角钢框左右共有2根，o变为1/2即1924*100 o =13014 (N/CM?) 13. 55*2山于所使用材料SS400的短期弯曲允许应力为24500 N/CM?,则有(13014/24500X1,所以是安全的。逆风时A-B点发生的弯曲力矩M2为：6409*170*1. 7*1. 7M2=1032(N?M) 220*1. 7*8应力o 2为：1052*1003. 55*

8、2 o 2= =14817(N/CM?)(14817/24500X1,所以是安全的。(o)A-B间的弯曲顺风时，角钢框架的弯曲由下式表示：15*PT*L*L*L 5 = (5.29) 1384*E*IM170 式中 P总荷重(G+W)二5626*二4347(、)T220E材料的纵向弹性系数66二钢 2. l*10kg/cm?=20. 6*10N/cm?4 I截面二次力矩12. 6cm; M5*4347*170*170*170 8 = =0. 536(cm) 1384*E*(12. 6*2)2对于跨距长170cm,最大的位移量为0536 (N/CM),因此它的比为0. 946/300, 这与钢结

9、构的材料弯曲允许界限值1/300比较要小，安全性可靠。(,)在这个170cm的跨距中能安装4块太阳能电池组件，每一块组件的角钢框架的 弯曲量为0. 536(cm)/4 (l. 3mm)变形位移量较小，可山山铝框的密封材料作为缓冲 材料吸收。逆风时的总荷重为:6409N*170/220二4592(N)框架弯曲量变为下式：25*4952*170*170*170 8 =0. 61 cm 2384*E*(12. 6*2)对于跨距长170cm的最大变位量为0. 61cm,则由1. 07/300,这儿乎与钢结构 的弯曲允许极限1/300相当，安全性可幕.(?)(6)B-C间的弯曲应力和弯曲变形在B-C点发

10、生的顺风时的弯曲力矩M山下式表示：3M=W*L (5.30) 350 式中，W 为总荷重(G+W)二5625N*二 1278N,则有 220M3=1278*0. 5m=639N?M应力o由式(5.28)求出。3因为框架左右由2根，o变为1/2,则639*1002 o =9000 (N/CM) 33. 55*2in支挥髦輟匠压曲荷重由下式(欧拉公式)求出：El, 2Pn, , , , K2L620.6, 10, 12. 62P, 1, , ,113885(N)式中 K2150，支撑臂有2根,每根承担的总荷重为5625/22813 (N),则有(2813/113855) 1, 所以没问题。8.支撑

11、臂的拉伸强度逆风的场合，风压荷重W对支撑臂起拉伸荷重的作用，变为上吹荷重(扬力)， 此上吹荷重，严格来说由2个支撑臂和2个基础角钢承受，但这里假设由单纯2 个支撑臂承受。P拉伸应力可曲下式求得:,A,式中P-拉伸张力6409N/23205N2 A-支撑臂的截面积=5. 644cm2,二568N/ 则有 cm2所使用的材料SS400的短期允许拉伸应力由表5. 11取24 500N/,则有(568/24 cm500)l，所以没问题。(9)安装螺栓的强度作为角钢框架和支撑臂的安装螺栓（固定轴），采用M14（SWRM制）热浸镀锌螺 栓。SWRM（软钢材）具有与SS400同样的强度，允许剪切应力从表5. 11取短期应力 为2。13230N/cm，这个螺栓上产生的最大应力是上吹（逆风）时的剪切应力，即lp2, （N/CM）式中 2AP,总荷重P, 6409NT 2