数字化设计与虚拟仿真技术在光伏系统力学设计中的运用

    随着光伏发电市场的发展,光伏系统应用条件由传统的环境简单的平地、屋顶正在向环境复杂的水面、山顶发展.这一发展趋势对系统力学设计工作也提出了新的要求.计算条件复杂化、算例差异化日渐显著,传统的计算、设计方法俨然难以适应当前市场的趋势.

    数字化设计、虚拟仿真等机械工程前沿技术的应用为解决以上设计中的难题带来了新的思路和方法.

    1 光伏系统力学设计介绍.

    1.1 光伏系统介绍.

    光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统.按照其与公共电网关系一般分为独立系统、并网系统和混合系统.主要由支架、光伏组件组成的结构部分以及硅电池片、汇流箱、逆变器等组成的电气部分构成.

    目前光伏系统安装主要分为地面电站和分布式屋顶安装以及光伏建筑一体化(BIPV) 三种安装方式.

    按照系统安装结构分为以下几类:

    1) 建筑材料一体化.如,作为玻璃幕墙替代品的全玻组件,由两层玻璃中间层压光伏硅电池构成;作为传统屋顶瓦片替代品的光伏瓦,将光伏组件融合到传统的瓦片结构中.

    2) 跟踪式.由桁架结构的支架和跟踪回转机构组成.具体又分为,双轴跟踪即水平和竖直方向上都保持光伏组件垂直于太阳光照射角度;单轴跟踪即水平、垂直或者某倾斜轴向上始终保持最大密度接受太阳光照射.

    3) 固定式.以桁架结构的支架支撑光伏系统,系统保持固定不动.

    1.2 光伏系统力学设计.

    1.2.1光伏系统受力特点.

    光伏系统的主要结构是支架和光伏组件.支架的特点是自身体积小、重量较大,光伏组件的特点是自身面积大、重量轻.由此可以看出光伏系统在实际工作过程中会受到雪、雨、风、震等外界载荷以及自身重力的较大影响.尤其是跟踪式系统,其跟踪过程中外界载荷会发生比较大的波动.从系统正面吹来的风压以及从系统背面吹来的风压引起的材料的弯曲强度和弯曲量、支撑臂的压缩以及拉伸强度、螺栓的强度都是重要的设计校核因素.

    1.2.2光伏系统力学设计概要.

    1) 结构材料的选取.坚持以最少的品种规格满足最大使用要求的原则.尽量选取同样材质(如Q195、Q235、Q345等) 相同尺寸规格的型材.

    2) 载荷的计算.固定载荷,包括组件质量、支架自重以及其他配件重量;风压载荷,加在组件上的风压力和加在支架上的风压力的综合;积雪载荷,与组件面垂直的积雪载荷;地震载荷,加在支架上的水平地震力.设计时主要考量以上载荷对支架和组件本身的材料弯曲强度和弯曲量、压缩以及拉伸强度、螺栓的强度、支撑基础稳定性等因素.

    由此可见,系统的力学设计工作内容复杂、繁多.针对不同的安装环境以及多样化的光伏系统,设计工作任务工作量将越来越大.

    2 机械工程前沿技术在设计中的应用.

    2.1 相关机械工程前沿技术介绍.

    机械工程前沿的主要技术和内容有以下几个方面:成组技术;精益生产(Lean Production);敏捷制造(agile manufacturing);并行工程(concurrent engineering);CAD/CAPP/CAM;虚拟现实技术;CIMS.

    针对光伏系统力学设计主要应用的是CAD(计算机辅助设计) 技术、虚拟现实技术等.

    2.1.1CAD(计算机辅助设计) 技术.

    利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作.简称CAD.

    在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作.在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存放在计算机的内存或外存里,并能快速地检索;设计人员通常用草图开始设计,将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作.

    2.1.2虚拟现实技术.

    虚拟现实(Virtual Reality) 技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实,使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境.其目的是在产品设计阶段,借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响,预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等.从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产,增强决策与控制水平,有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改,达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化.

    2.2 相关技术应用展望.

    2.2.1计算机辅助设计技术.

    运用计算机辅助技术先根据实际工况进行系统的虚拟设计,从而更加直观的了解构成整个系统的组成零件,进而进行生产工艺的设计.

    实现了并行设计缩短了产品设计周期.

    2.2.2虚拟现实技术.

    系统设计过程中,可以随时对单个零件进行校核分析,及时发现薄弱部分来更换选材或者进行结构补强.也可以针对系统整体进行单项或者综合的载荷加载从而模拟出系统工况下的载荷情况,全面掌握应力、应变等信息.

    3 结语.

    随着机械工程前沿技术的发展以及光伏系统的日趋多样化,在光伏系统力学设计领域CAD/CAPP/CAM、虚拟现实技术的应用已经极大的改变了传统的工作模式.在不远的未来,更多其他前沿技术的应用也必将极大促进该领域的发展带来革命性的变化.