CN114996941B - 一种光伏柔性支架钢索受力分析方法 - Google Patents

一种光伏柔性支架钢索受力分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏柔性支架钢索受力分析方法，属于光伏安全供电技术领域，包括如下步骤：步骤一、确定建设光伏电站项目地的光伏气象条件；步骤二、钢索单位荷载及比载计算；步骤三、钢索状态求解；步骤四、临界档距计算；步骤五、钢索各工况下应力及弧垂计算，绘成随代表档距变化的弧垂应力曲线。本发明的分析方法，将各个代表档距下各种气象条件时的钢索应力及有关弧垂计算出来，绘成随代表档距变化的“弧垂应力曲线”，提高了光伏柔性支架系统理论计算与实际受力情况吻合度，提高光伏电站的安全性。

Description

一种光伏柔性支架钢索受力分析方法
技术领域
本发明涉及光伏安全供电技术领域，具体是一种光伏柔性支架钢索受力分析方法。
背景技术
随着光伏产业的发展，光伏支架种类越来越多，有固定支架、跟踪支架等等，但是适合光伏建设的地形也越来越少，目前光伏电站已大量向山地发展，现有的固定支架系统、跟踪支架系统很难在起伏不平的山地进行大规模建设，阻碍了光伏行业发展。
光伏柔性支架体系中钢索是以钢杆为支持物而悬挂起来的，对于悬挂在两固定点A、B的一根柔软的且苛载沿线长均匀分布的绳索，其所形成的形状为“悬链线”。由于悬链线方程包含着双曲线函数，计算比较复杂不便使用。故实际工程应用中可简化为斜抛物线公式进行计算。所谓斜抛物线是近似地认为钢索荷载沿悬挂点连线上均匀分布而简化得来。为了探索适应起伏不平的山地建设用的光伏支架系统，解决目前光伏电站建设难的现状，所以需要对光伏柔性支架钢索受力分析。
发明内容
发明目的：本发明提供一种光伏柔性支架钢索受力分析方法，可以更全面了解钢索在各种气象条件下运行时的力学特性，便于在光伏支架系统设计中查用有关数据，减轻在起伏不平的山地建设光伏电站的困难。
技术方案：一种光伏柔性支架钢索受力分析方法，包括如下步骤：
步骤一、确定建设光伏电站项目地的光伏气象条件；
步骤二、钢索单位荷载及比载计算；
步骤三、钢索状态求解；
步骤四、临界档距计算；
步骤五、钢索各工况下应力及弧垂计算，绘成随代表档距变化的弧垂应力曲线。
进一步的，所述步骤一中，所述建设光伏电站项目地的光伏气象条件包括最高气温、最低气温、最大风速和最高覆雪厚度。
进一步的，所述步骤二中，所述钢索单位荷载及比载的类别包括自重力荷载、冰重力荷载、自重力加冰重力荷载、无冰时风荷载、覆冰时风荷载、无冰时综合荷载和覆冰时综合荷载，对应的单位荷载分别用符号g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7表示，对应的比载分别用符号γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、γ6、γ6表示；
相应的计算公式为：
g1＝9.80665×p1，γ1＝g1/A；
g2＝9.80665×0.9πδ(δ+d)×10-3，γ2＝g2/A；
g3＝g1+g2，γ3＝g3/A；
g4＝0.625v2dαμδc×10-3，γ4＝g4/A；
g5＝0.625v2(d+2δ)αμδc×10-3，γ5＝g5/A；
γ6＝g6/A；
γ7＝g7/A；
其中，A为钢索截面积；p1为钢索单位荷载；d为钢索直径；v为钢索平均高度处的风速；α为钢索风压不均匀系数；μδc为体型系数；9.80665为重力加速度取值。
进一步的，所述步骤三中，
1)钢索的两悬挂点等高时，钢索状态方程式求解如下：
令，
则钢索的两悬挂点等高时的钢索状态方程式简化为：σ2(σ+a)＝b；
其中，σm和σ分别为已知情况和待求情况下的钢索最低点的水平应力；γm和γ分别为已知情况和待求情况下的钢索比载；l为钢索档距；E为钢索的弹性系数；α为钢索的膨胀系数；km为已知条件系数；tm和t分别为已知情况和待求情况下的气温；
2)当钢索的两悬挂点不等高时，钢索状态方程式求解如下：
其中，β对于孤立档为悬挂点高度差；在两悬挂点不等高时，l应为不等高代表档距lr，β应为代表高差角βr。
进一步的，所述步骤四中，临界档距计算过程如下：
其中，lcr为临界档距；σm和σn分别为m和n两种控制条件下允许的使用应力；tm和tn分别为两种控制条件下的气温；γm和γn分别为两种控制条件下的导线比载；α为钢索的膨胀系数；E为钢索的弹性系数；
所述控制条件为四个分别为最大风速、最大覆雪厚度、最低气温和平均气温，m和n两种控制条件为最大风速、最大覆雪厚度、最低气温和平均气温中的任意两个控制条件；计算出任意两个控制条件组合时的临界档距，然后判别出有效临界档距和有效控制条件。
进一步的，所述步骤五中，根据步骤四中得到的有效临界档距，确定柔性支架排布尺寸，并根据排布档距以及对应的控制条件，求解钢索不同工况下的应力弧垂：
1)坐标O点位于钢索最低点的弧垂，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
2)坐标O点位于钢索悬挂点A的弧垂，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
3)最大弧垂，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
4)档内线长，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
其中，钢索悬挂点A为两钢索两悬挂点中较低位置的一个悬挂点；l为钢索档距，两悬挂点之间水平距离；h为高差，两悬挂点之间的垂直距离，；β为高差角，f为钢索弧垂，两悬挂点连线各点到钢索上的垂直高度；σ0为钢索各点的水平应力，亦即最低点之应力；γ为钢索比载，即单位长度截面上的荷载；x为坐标O点位于钢索最低点时，钢索各点到纵坐标轴的垂直距离；IOA为坐标O点位于钢索最低点时，钢索悬挂点A到纵坐标轴的垂直距离；x′为坐标O点位于钢索悬挂点A时，钢索各点到纵坐标轴的垂直距离。
有益效果：本发明的分析方法，可以更全面了解钢索在各种气象条件下运行时的力学特性，便于在光伏支架系统设计中查用有关数据；将各个代表档距下各种气象条件时的钢索应力及有关弧垂计算出来，绘成随代表档距变化的“弧垂应力曲线”，提高了光伏柔性支架系统理论计算与实际受力情况吻合度，提高光伏电站的安全性。
附图说明
图1为本发明光伏柔性支架钢索力学分析方法的流程图；
图2为坐标O点位于钢索最低点的应力参数示意图；
图3为坐标O点位于钢索悬挂点A的应力参数示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。
一种光伏柔性支架钢索受力分析方法，包括如下步骤：
步骤一、确定建设光伏电站项目地的光伏气象条件；
步骤二、钢索单位荷载及比载计算；
步骤三、钢索状态求解；
步骤四、临界档距计算；
步骤五、钢索各工况下应力及弧垂计算，绘成随代表档距变化的弧垂应力曲线。
所述步骤一中，建设光伏电站项目的地计算气象条件如表1所示：
表1
设计条件 气温(℃) 风速(m/s) 覆雪厚度(mm)
最高气温
最低气温
最大风速
最高覆雪厚度
所述步骤二中，所述钢索单位荷载及比载的类别及计算方式如表2所示：
钢索单位荷载及比载计算表
所述步骤三中：
1)钢索的两悬挂点等高时，钢索状态方程式求解如下：
令，
则钢索的两悬挂点等高时的钢索状态方程式简化为：σ2(σ+a)＝b；
其中，σm和σ分别为已知情况和待求情况下的钢索最低点的水平应力，单位为Nmm2；γm和γ分别为已知情况和待求情况下的钢索比载，单位为N/(m·mm2)；l为钢索档距，单位为m；E为钢索的弹性系数，单位为N/mm2；α为钢索的膨胀系数，单位为1/℃；km为已知条件系数；tm和t分别为已知情况和待求情况下的气温；
2)当钢索的两悬挂点不等高时，钢索状态方程式求解如下：
其中，β对于孤立档为悬挂点高度差；在两悬挂点不等高时，l应为不等高代表档距lr，β应为代表高差角βr。
所述步骤四中，临界档距计算过程如下：
其中，lcr为临界档距，单位为m；σm和σn分别为m和n两种控制条件下允许的使用应力，单位为N/mm2；tm和tn分别为两种控制条件下的气温，单位为℃；γm和γn分别为两种控制条件下的导线比载，单位为N/(m·mm2)；α为钢索的膨胀系数，单位为1/℃；E为钢索的弹性系数，单位为N/mm2；
所述控制条件为四个分别为最大风速、最大覆雪厚度、最低气温和平均气温，式中的m和n两种控制条件为最大风速、最大覆雪厚度、最低气温和平均气温中的任意两个控制条件；计算出任意两个控制条件组合时的临界档距，然后按一定规律判别出有效临界档距和有效控制条件。一定规律是指通过计算从最大风速、最大覆雪厚度、最低气温和平均气温四个中得出两个控制条件下钢索的应力。每两个控制条件便可得到一个临界档距，如有最大风速、最大覆雪厚度、最低气温及平均气温四个控制条件，两两组合即可得到6个临界档距。但是真正有意义的临界档距最多不超过3个，最少为0，按每一条件控制一段档距，可有三个分界线，如只有两个条件起控制作用，则只有一个分界线，相邻有效控制条件间的临界档距称之为有效临界档距。
步骤五、根据步骤四中得到的有效临界档距，确定柔性支架排布尺寸，并根据排布档距以及对应的控制条件，按表3中的公式求解钢索不同工况下的应力弧垂：
表3
其中，钢索悬挂点A为两钢索两悬挂点中较低位置的一个悬挂点；
为双曲正弦函数；
为双曲余弦函数；
l为钢索档距，两悬挂点之间水平距离，单位为m；h为高差，两悬挂点之间的垂直距离，单位为m；β为高差角，f为钢索弧垂，两悬挂点连线各点到钢索上的垂直高度，单位为m；σ0为钢索各点的水平应力，亦即最低点之应力，单位为N/mm2；γ为钢索比载，即单位长度截面上的荷载，单位为N/(m·mm2)；x为坐标O点位于钢索最低点时，钢索各点到纵坐标轴的垂直距离，单位为m；lOA为坐标O点位于钢索最低点时，钢索悬挂点A到纵坐标轴的垂直距离，单位为m；x′为坐标O点位于钢索悬挂点A时，钢索各点到纵坐标轴的垂直距离，单位为m；y为坐标O点位于钢索最低点时，钢索各点到横坐标轴的垂直高度，单位为m；y′为坐标O点位于钢索悬挂点A时，钢索各点到横坐标轴的垂直高度，单位为m。
坐标O点位于钢索最点的应力参数示意图，如图2所示，坐标O点位于电钢索悬挂点A的应力参数示意图，如图3所示。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (1)

1.一种光伏柔性支架钢索受力分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定建设光伏电站项目地的光伏气象条件；
步骤二、钢索单位荷载及比载计算；
步骤三、钢索状态求解；
步骤四、临界档距计算，得到有效临界档距；
步骤五、根据步骤四中得到的有效临界档距，计算钢索各工况下应力及弧垂，绘成随代表档距变化的弧垂应力曲线；
所述步骤一中，所述建设光伏电站项目地的光伏气象条件包括最高气温、最低气温、最大风速和最高覆雪厚度；
所述步骤二中，所述钢索单位荷载及比载的类别包括自重力荷载、冰重力荷载、自重力加冰重力荷载、无冰时风荷载、覆冰时风荷载、无冰时综合荷载和覆冰时综合荷载，对应的单位荷载分别用符号g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7表示，对应的比载分别用符号γ1、γ2、γ3、γ4、γ4、γ6、γ7表示；相应的计算公式为：
；
其中，A为钢索截面积；p1为钢索单位荷载；d为钢索直径；v为钢索平均高度处的风速；α为钢索风压不均匀系数；9.80665为重力加速度取值；所述步骤三中，
1）钢索的两悬挂点等高时，钢索状态方程式求解如下：
，
令，
，/>，
，
则钢索的两悬挂点等高时的钢索状态方程式简化为：，
和/>分别为已知情况和待求情况下的钢索最低点的水平应力；/>和/>分别为已知情况和待求情况下的钢索比载；/>为钢索档距；/>为钢索的弹性系数；/>为钢索的膨胀系数；为已知条件系数；/>和/>分别为已知情况和待求情况下的气温；
2）当钢索的两悬挂点不等高时，钢索状态方程式求解如下：
，
其中，对于孤立档为悬挂点高度差；在两悬挂点不等高时，/>应为不等高代表档距/>，应为代表高差角/>，
所述步骤四中，临界档距计算过程如下：
，
其中，为临界档距；/>和/>分别为/>和/>两种控制条件下允许的使用应力；/>和/>分别为两种控制条件下的气温；/>和/>分别为两种控制条件下的导线比载；/>为钢索的膨胀系数；/>为钢索的弹性系数；
所述控制条件为四个分别为最大风速、最大覆雪厚度、最低气温和平均气温，和/>两种控制条件为最大风速、最大覆雪厚度、最低气温和平均气温中的任意两个控制条件；计算出任意两个控制条件组合时的临界档距，然后判别出有效临界档距和有效控制条件；
所述步骤五中，根据步骤四中得到的有效临界档距，确定柔性支架排布尺寸，并根据排布档距以及对应的控制条件，求解钢索不同工况下的应力弧垂：
1）坐标点位于钢索最低点的弧垂，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
；
2）坐标点位于钢索悬挂点A的弧垂，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
；
3）最大弧垂，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
；
4）档内线长，采用斜抛线公式计算的具体公式为：
；
其中，钢索悬挂点A为两钢索两悬挂点中较低位置的一个悬挂点；为钢索档距，两悬挂点之间水平距离；/>为高差，两悬挂点之间的垂直距离；/>为高差角，/>；/>为钢索弧垂，两悬挂点连线各点到钢索上的垂直高度；/>为钢索各点的水平应力，亦即最低点之应力；/>为钢索比载，即单位长度截面上的荷载；/>为坐标/>点位于钢索最低点时，钢索各点到纵坐标轴的垂直距离；/>为坐标/>点位于钢索最低点时，钢索悬挂点A到纵坐标轴的垂直距离；/>为坐标/>点位于钢索悬挂点A时，钢索各点到横坐标轴的垂直距离。
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