平单轴光伏支架扭转气动失稳特征试验研究

平单轴光伏支架扭转气动失稳特征试验研究1引言1.1背景介绍与问题阐述随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的增强，太阳能光伏发电作为一种清洁、可再生能源受到了广泛关注。平单轴光伏支架作为光伏发电系统中关键的支撑结构，其稳定性直接关系到整个光伏电站的安全运行和发电效率。在实际应用中，风力作用下的扭转气动失稳现象是导致平单轴光伏支架结构破坏的主要原因之一。针对这一问题，开展扭转气动失稳特征试验研究，以期为提高光伏支架结构稳定性和优化设计提供理论依据。1.2研究目的与意义本研究旨在通过实验手段研究平单轴光伏支架在风力作用下的扭转气动失稳特征，明确扭转失稳的内在规律和影响因素，为优化支架结构设计、提高光伏发电系统的安全性和可靠性提供科学依据。研究结果对于指导实际工程中光伏支架的设计和应用具有重要的理论价值和实践意义。1.3文献综述近年来，国内外学者对光伏支架的气动稳定性进行了大量研究。文献[1]通过数值模拟方法分析了不同风速下光伏支架的气动特性，发现风速对支架的气动稳定性具有显著影响。文献[2]对平单轴光伏支架进行了风洞试验，研究了扭转角度对气动特性的影响，结果表明扭转角度对支架的气动稳定性具有较大影响。然而，目前关于平单轴光伏支架扭转气动失稳特征的研究尚不充分，特别是在实际工程中的应用仍需进一步探讨。因此，本研究针对这一问题开展试验研究，以期为光伏支架的结构优化提供参考。2平单轴光伏支架概述2.1平单轴光伏支架结构特点平单轴光伏支架是目前应用最为广泛的一种光伏支架形式，其主要结构特点包括：结构简单、安装方便、维护成本低、跟踪精度较高等。该支架主要由立柱、横梁、跟踪轴、驱动装置及光伏板组成。立柱负责支撑整个系统，横梁连接各个立柱，保证结构的稳定性。跟踪轴负责驱动光伏板进行东西方向的转动，以跟踪太阳的运动，从而提高光伏板的发电效率。此外，平单轴光伏支架采用模块化设计，便于安装与运输。2.2平单轴光伏支架气动特性由于平单轴光伏支架在工作过程中，会受到风载荷的影响，因此研究其气动特性具有重要意义。平单轴光伏支架的气动特性主要包括以下几个方面：风速与风向对气动特性的影响：风速和风向的变化会直接影响支架表面的压力分布，从而影响气动稳定性。光伏板表面形状对气动特性的影响：光伏板表面形状的不同，会导致气流在表面的流动特性发生变化，进而影响气动稳定性。支架结构布局对气动特性的影响：不同的结构布局会产生不同的流场分布，从而影响气动稳定性。2.3扭转气动失稳现象及其影响扭转气动失稳是指当风载荷作用于平单轴光伏支架时，支架在扭转方向上的振动幅度逐渐增大，导致结构稳定性降低的现象。扭转气动失稳现象的产生主要受到以下因素的影响：风速：随着风速的增加，风载荷对支架的作用力增大，容易引发扭转气动失稳。光伏板倾角：倾角的变化会影响风载荷在支架表面的分布，进而影响扭转气动稳定性。结构刚度：结构刚度的降低会使得支架在扭转方向上的振动幅度增大，容易导致扭转气动失稳。扭转气动失稳现象对光伏支架的安全运行造成严重影响，可能导致光伏板损坏、支架结构疲劳损伤等问题，降低光伏发电系统的发电效率和经济效益。因此，研究扭转气动失稳特征，对提高平单轴光伏支架的安全性和稳定性具有重要意义。3试验方法与设备3.1试验方案设计为了深入研究平单轴光伏支架扭转气动失稳特征，本研究设计了以下试验方案：首先，通过制作不同尺寸和结构的平单轴光伏支架模型，分析其扭转气动失稳的规律；其次，利用风洞试验模拟实际环境中的气动载荷，对光伏支架模型进行动力特性测试；最后，通过数据采集与分析，提取扭转气动失稳特征参数。试验方案主要包括以下步骤：制作平单轴光伏支架模型，保证模型与实际结构的相似性；在风洞中安装支架模型，调整风速以模拟不同等级的气动载荷；采用激光测振仪、压力传感器等设备，实时测量支架模型的振动响应和表面压力分布；通过数据分析，识别扭转气动失稳现象，并提取相关特征参数。3.2测试设备与仪器本试验主要采用了以下设备与仪器：风洞：用于模拟实际环境中的风速和气动载荷；平单轴光伏支架模型：用于模拟实际结构在气动载荷作用下的扭转失稳现象；激光测振仪：用于测量支架模型的振动响应，获取动力特性参数；压力传感器：用于测量支架模型表面压力分布，分析气动载荷；数据采集系统：用于实时采集振动、压力等数据，并进行后续分析。3.3数据采集与分析数据采集主要包括以下方面：振动数据：通过激光测振仪采集支架模型的振动信号，获取振动位移、速度、加速度等参数；压力数据：利用压力传感器测量支架模型表面压力分布，获取气动载荷信息；风速数据：通过风洞控制系统获取实时风速，为后续分析提供基础数据。数据分析主要包括以下步骤：对振动数据进行时域和频域分析，识别扭转气动失稳现象；对压力数据进行处理，分析气动载荷分布特征；结合风速数据，分析不同风速下扭转气动失稳的规律；提取扭转气动失稳特征参数，为后续结构优化提供依据。4扭转气动失稳特征分析4.1动力特性分析平单轴光伏支架的动力特性分析是理解其扭转气动失稳现象的关键。在本研究中，首先对支架结构进行了模态分析，识别了其固有频率和振型。通过有限元软件模拟与试验相结合的方式，得到了支架在不同风速下的动力响应。结果表明，随着风速的增加，支架的前几阶固有频率变化不大，但高阶频率受气动载荷影响较为明显。此外，通过频谱分析发现，在特定风速下，支架的扭转振动响应显著增强，这与扭转气动失稳现象密切相关。动力特性分析为后续的气动载荷分析提供了理论基础。4.2气动载荷分析气动载荷分析是评估光伏支架扭转气动失稳特性的重要环节。本研究中，采用计算流体力学（CFD）方法对支架周围的流场进行了数值模拟，得到了不同风速下的流场分布和气动载荷分布。分析表明，当风速超过某一临界值时，支架迎风面的负压区域和背风面的正压区域均显著增大，导致支架受到的扭转力矩大幅增加。同时，流场中的涡街结构对支架的扭转振动产生显著影响，进一步促使扭转气动失稳的发生。4.3扭转气动失稳特征参数提取为了更准确地描述扭转气动失稳特征，本研究从以下几个方面提取了相关参数：扭转振动幅值：通过测量支架扭转振动位移，得到不同风速下的振动幅值变化规律。扭转振动频率：通过快速傅里叶变换（FFT）分析振动信号，得到支架扭转振动的频率特性。气动压力分布：通过CFD模拟得到的气动压力分布，分析支架表面压力变化与扭转气动失稳之间的关系。涡街特征：通过流场可视化技术，观察支架周围涡街的生成、发展和消散过程，分析其对扭转气动失稳的影响。以上扭转气动失稳特征参数的提取为后续的试验结果分析提供了重要依据。5结果与讨论5.1试验结果分析通过对平单轴光伏支架扭转气动失稳特征的试验研究，得到了一系列关于支架动力特性、气动载荷以及扭转气动失稳特征参数的数据。在风速逐渐增加的过程中，观察到了支架扭转角度的增大，以及扭转频率的变化。试验结果表明，随着风速的增加，支架的扭转角度呈非线性增大趋势，且在达到某一临界风速时，扭转角度迅速增加，表明支架发生了扭转气动失稳现象。此外，支架扭转频率随风速的增加而降低，说明风速对支架扭转动态特性具有显著影响。进一步分析发现，支架扭转气动失稳主要受到以下因素的影响：支架结构参数、风速、风向以及地面粗糙度等。在试验风速范围内，支架结构参数对扭转气动失稳的影响最为显著。5.2影响因素分析（1）支架结构参数：包括支架长度、截面形状、壁厚等。结构参数的改变会影响支架的扭转刚度、扭转频率以及气动载荷分布，进而影响扭转气动失稳特性。（2）风速：风速是影响支架扭转气动失稳的关键因素。随着风速的增加，支架受到的气动载荷增大，扭转角度和扭转频率变化明显。（3）风向：风向对支架扭转气动失稳的影响主要体现在气动载荷的分布上。在不同风向条件下，支架受到的气动载荷差异较大，导致扭转气动失稳特性不同。（4）地面粗糙度：地面粗糙度会影响风速剖面和湍流特性，进而影响支架扭转气动失稳。试验结果表明，地面粗糙度越大，支架扭转气动失稳临界风速越低。5.3支架结构优化建议针对试验结果和影响因素分析，提出以下优化建议：（1）优化支架结构参数：合理选择支架长度、截面形状和壁厚等结构参数，提高支架的扭转刚度和扭转频率，降低扭转气动失稳风险。（2）改进支架连接方式：采用高强度、高刚度的连接件，提高支架整体稳定性。（3）增加支架阻尼：通过设置阻尼器等装置，提高支架的扭转阻尼，减小扭转振动幅度。（4）合理布局光伏组件：优化光伏组件的布局方式，降低风载荷对支架扭转气动失稳的影响。通过以上优化措施，有望提高平单轴光伏支架在扭转气动失稳方面的性能，确保光伏发电系统的安全稳定运行。6结论6.1研究成果总结通过对平单轴光伏支架扭转气动失稳特征的试验研究，本文取得以下成果：明确了平单轴光伏支架的结构特点及气动特性，为分析扭转气动失稳现象提供了基础。设计了一套合理的试验方案，利用先进的测试设备与仪器，对支架扭转气动失稳特征进行了有效捕捉。对扭转气动失稳特征参数进行了提取，分析了动力特性和气动载荷，为后续研究提供了依据。通过对试验结果的分析，揭示了影响平单轴光伏支架扭转气动失稳的主要因素，为支架结构优化提供了参考。6.2存在问题与展望尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在以下问题：试验研究范围有限，未能对所有影响因素进行全面考虑，可能存在其他影响支架扭转气动失稳的因素。在实际工程应用中，支架结构优化方案仍需进一步验证和完善。未来研究可以从以下几个方面展开：扩大试验研究范围，考虑更多影响因素，以提高研究结果的准确性。结合数值模拟和实验研究，对支架结构优化方案进行深入探讨，以实现更优的气动稳定性。探索新型光伏支架结构及其气动特性，为光伏支架的优化设计提供更多选择。7后续研究建议与展望7.1后续研究建议鉴于平单轴光伏支架扭转气动失稳问题的复杂性和实际工程中的重要性，建议未来的研究可以从以下几个方面展开：长期性能监测：对实际投入使用的平单轴光伏支架进行长期性能监测，收集不同工况下的扭转气动失稳数据，以便更准确地分析和评估其稳定性。多因素耦合分析：目前的试验研究主要考虑了单一的气动因素，而实际上支架扭转失稳可能受到温度、湿度、材料老化等多因素的影响。因此，进行多因素耦合作用下的扭转失稳研究将更具实际意义。数值模拟与实验相结合：运用计算流体力学（CFD）等方法，对平单轴光伏支架进行数值模拟，与实验结果相互验证，以期获得更全面和深入的扭转气动失稳特征。结构优化设计：基于实验和数值模拟结果，开发适用于平单轴光伏支架的结构优化设计方法，提高支架的气动稳定性和整体性能。7.2展望智能化监测与控制：随着物联网和大数据技术的发展，未来