单层金属屋面—铝合金太阳能支架系统受力性能研究
发布时间：2020-04-26 19:51
【摘要】：分布式光伏发电系统以建筑物为载体,为了提高太阳能的利用效率,一般安装在体表面积较大的建筑物上并且存在一定的安装倾角。安装倾角增加了光伏面板的受风面积,因此风荷载对光伏系统的承载能力有重要影响。风荷载的大小与风向角以及光伏面板的安装位置有关,并且我国现行的荷载规范未提供光伏系统风荷载的计算公式,因此,开展单层金属屋面铝合金太阳能支架的抗风性能研究十分必要。本文利用数值风洞技术,对太阳能铝合金支架屋面的风压进行计算,并对支架在风荷载、雪荷载以及自重作用下的承载能力进行了分析。本文主要研究内容如下:1、通过铝合金型材的拉伸试验,获得6063-T5型材的应力—应变数据,并且与目前常用的铝合金材性公式进行对比,结果显示,弹性阶段的试验数据与公式较吻合,塑性阶段的试验数据比公式计算结果高。拉伸试验获得的数据为有限元模拟提供了必备的材性参数。2、通过研究数值风洞理论,来确定模拟中风场入口处的边界条件、湍流模型以及对近壁面采用的处理方式。3、利用SOLIDWORKS、ICEM和FLUENT软件分别进行三维建模、网格处理和风场模拟,通过将数值风洞模拟结果与风洞试验结果进行对比,判断拟采用的湍流模型和参数设置的正确性。采用SST k-ω湍流模型计算安装倾角为10°的光伏面板上风压系数和风压分布,以及X轴、Y轴和Z轴正负六个方向的受力情况。模拟采用两个变量进行分析,分别为风向角(0°和180°)以及光伏阵列在建筑物屋面上的安装位置,得到光伏面板主要受升力作用。当风向角为0°且光伏系统位于屋顶中间时,Y轴方向主要受压力的作用。4、使用有限元软件ABAQUS分别建立光伏组件和支架、压型钢板和连接件的三维模型,通过施加荷载来分析各个模型的应力、应变变化情况和极限承载力,分析光伏面板安装位置对压型钢板承载力的影响,得到压型钢板屋面上铝合金支架的极限承载力。承载能力由弱到强依次是压型钢板、光伏组件和支架、连接件。结合数值风洞的模拟结果以及由我国的荷载规范计算出来的荷载组合数值,采用最不利原则得到在实际环境中施加在光伏面板上的压力和升力,并将该结果与模型的极限承载力进行对比。结果表明,若光伏面板安装在压型钢板的屋面上时,需要对屋面进行加固或增加铝合金支架的个数;若光伏面板安装在混凝土屋面或地面上时,需要对铝合金支架薄弱部位进行优化设计。
【图文】：
太阳能的开发和利用带动了各个国家的光伏产业发展。20 世纪 90 年代，德国率先在世界上推出屋顶计划，随后又提出十万屋顶计划，并在 2000 年实行可再生能源法[1]。美国通过政策法规为新能源提供良好的发展环境，制定能源结构改革和发展可再生能源的方针和战略[2]。日本自 1974 年启动著名的“阳光计划”之后，又出台了一系列法规和补贴制度用来支持光伏产业[3]。在我国，《可再生能源法》的颁布以及金太阳工程等项目的开展为新能源的利用提供了政策和资金上的支持，同时也对节能减排、能源结构调整起到了积极的推进作用[4]。在国家大力发展可再生能源战略时，人们提出将太阳能技术应用到建筑领域，将建筑体作为太阳能利用的载体，即将光伏系统与建筑相结合。1986 年，世界能源组织提出太阳能光伏建筑一体化，，我国用 BMPV（BuildingMountedPhotovoltaic）表示安装在建筑物上的光伏发电系统，如图 1-1 所示。该系统又分为 BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaic）（图 1-1a）和 BAPV（Building Attached Photovoltaic）（图 1-1b）两种。前者为构建型，太阳能板不仅用于发电，还是建筑物的幕墙、屋顶或天棚的重要组成部分；后者为安装型，主要用于发电，不破坏或削弱原有建筑物的功能。光伏发电系统分为独立光伏发电、并网光伏发电和分布式光伏发电。
风荷载是空气在流动过程中对建筑物或者构筑物表面产生的压力或者吸力。在我国东南沿海区域，每年的夏季都会出现多次台风，对建筑物造成了严重的破坏，例如低矮建筑物和大跨度场馆的屋顶被掀起，高层建筑的玻璃幕墙被吹落，如图1-2所示。1999 年 9 月，“约克”台风登陆香港期间造成数栋大楼的玻璃幕墙被吹毁；2002 年 8月，苏州新建体育场和体育馆屋顶被强风掀去 4000 多平方米；2003 年 8 月，上海大剧院大屋盖屋顶的一块覆面材料被强风撕裂成两段；2018 年 9 月，台风“山竹”登陆我国东南沿海，摧毁了许多建筑物。因此需要在进行建筑物及其围护构件的结构设计时，需要注意风荷载对其产生的影响。（a）低矮建筑 （b）高层建筑（c）大跨屋盖图 1-2 风对建筑物的破坏对于分布式光伏电站的安装于单层金属屋面的情况，屋面受到的风荷载以及风荷
【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615
【图文】：
太阳能的开发和利用带动了各个国家的光伏产业发展。20 世纪 90 年代，德国率先在世界上推出屋顶计划，随后又提出十万屋顶计划，并在 2000 年实行可再生能源法[1]。美国通过政策法规为新能源提供良好的发展环境，制定能源结构改革和发展可再生能源的方针和战略[2]。日本自 1974 年启动著名的“阳光计划”之后，又出台了一系列法规和补贴制度用来支持光伏产业[3]。在我国，《可再生能源法》的颁布以及金太阳工程等项目的开展为新能源的利用提供了政策和资金上的支持，同时也对节能减排、能源结构调整起到了积极的推进作用[4]。在国家大力发展可再生能源战略时，人们提出将太阳能技术应用到建筑领域，将建筑体作为太阳能利用的载体，即将光伏系统与建筑相结合。1986 年，世界能源组织提出太阳能光伏建筑一体化，，我国用 BMPV（BuildingMountedPhotovoltaic）表示安装在建筑物上的光伏发电系统，如图 1-1 所示。该系统又分为 BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaic）（图 1-1a）和 BAPV（Building Attached Photovoltaic）（图 1-1b）两种。前者为构建型，太阳能板不仅用于发电，还是建筑物的幕墙、屋顶或天棚的重要组成部分；后者为安装型，主要用于发电，不破坏或削弱原有建筑物的功能。光伏发电系统分为独立光伏发电、并网光伏发电和分布式光伏发电。
风荷载是空气在流动过程中对建筑物或者构筑物表面产生的压力或者吸力。在我国东南沿海区域，每年的夏季都会出现多次台风，对建筑物造成了严重的破坏，例如低矮建筑物和大跨度场馆的屋顶被掀起，高层建筑的玻璃幕墙被吹落，如图1-2所示。1999 年 9 月，“约克”台风登陆香港期间造成数栋大楼的玻璃幕墙被吹毁；2002 年 8月，苏州新建体育场和体育馆屋顶被强风掀去 4000 多平方米；2003 年 8 月，上海大剧院大屋盖屋顶的一块覆面材料被强风撕裂成两段；2018 年 9 月，台风“山竹”登陆我国东南沿海，摧毁了许多建筑物。因此需要在进行建筑物及其围护构件的结构设计时，需要注意风荷载对其产生的影响。（a）低矮建筑 （b）高层建筑（c）大跨屋盖图 1-2 风对建筑物的破坏对于分布式光伏电站的安装于单层金属屋面的情况，屋面受到的风荷载以及风荷
【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615
【参考文献】
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1 徐东臣;杜建良;;基于测试支架连接螺栓预紧力的分析计算[J];航空精密制造技术;2015年04期
2 刘梅;张露露;王培军;孙新城;常qご
本文编号：2641834
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