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      匠人說 | 和而不同,美美與共

       

       

      引言: 近期,在多個由主流電站開發商組織、眾多廠商爭相競逐的國內外跟蹤支架招標中,聚晟科技屢獲綜合評分第一,憑什么...


      “御風者Ⅱ” | 大愛無疆

       

      光伏支架的“風致共振”是一個流固耦合力學范疇的典型案例,結合產品CPP測試數據,探究其背后的力學奧秘,聚晟科技自主研發了“御風者Ⅱ”多點驅動跟蹤系統,并在2019年完成了此項專利的申請(專利申請號CN201921193158.X)。與此同時,聚晟多點驅動跟蹤系統的第一個項目(特變電工榆林55MW2*39平單軸項目)也在2019年順利并網發電。項目自投產以來,歷經數次極端大風天氣考驗,運行穩定可靠,在業內得到了廣泛贊譽,也得到了諸多同行的關注和模仿。為推動行業進步,營造良好的行業生態,聚晟科技并未對此進行維權,2021年上海SNEC展看到越來越多的企業沿用了“御風者Ⅱ”的技術路線,標志著中國跟蹤支架企業已經在破解行業難題方面取得了共識,邁出了一大步。


       

      聚晟匠人 |  和而不同


      “御風者Ⅱ”技術路線有著兩個鮮明的技術特點:一是多點驅動多點支撐;二是推桿驅動。兩個理念的堅持源于聚晟匠人對于產品可靠性的深刻認識。


      1. 多點驅動支撐

      在了解多點驅動之前需要先了解下“風致共振”。光伏支架大多處于外流風場環境,風速在結構的周邊會發生急劇的變化,風速和黏性的改變會在物體周邊不定期的形成湍流區域,湍流的形成會產生負壓,湍流形成的時間隨著風場的變化而變化,而在這個過程中,湍流激勵和風壓激勵形成復雜的、無序的組合激勵,當激勵的頻率與支架自身固有頻率接近時即會產生“風致共振”。

       


      多點驅動的提出有效解決了"風致共振"難題,多點驅動的概念是相對單點驅動而言的,即單列支架多個驅動支撐點,通過增加支撐點減小應力集中、提高支架剛性、縮短固有周期。在達到以上三個目的后,支架的動態響應也會得到明顯改善,扭轉發散和渦激振動的臨界風速會相應提高,支架失穩將變得困難。

       

      1)靜態分析

      采用多點驅動方式,有效降低了主軸自由扭轉的長度L(約束點距離端部的距離),扭轉應力與自由扭轉長度L成正比,扭轉變形與 L的平方成正比,因此,采用多點驅動減小扭轉長度L可大大降低支架上層網架的扭轉應力和扭轉角度。

       


      2)動態表現

      通過增加支撐點,支架固有周期減小,如下圖1×52二點驅動和1×52單點驅動的前六階固有周期的數據比對,二點驅動支架的固有周期僅為單點驅動支架的1/2,支架剛性成倍增強。



      由于誘導支架扭轉失穩的臨界風速的平方與支架剛度成正比,在支架剛度提升后,臨界風速也會相應提高,在CPP針對“御風者Ⅱ”動態分析中,臨界風速可達30m/s以上,動態放大系數接近1。



      2. 推桿 or 回轉減速機

      應用推桿或回轉減速機是實現自鎖功能及多點驅動的兩種主要技術路線,有著各自的技術優勢?!坝L者Ⅱ”作為推桿多點驅動的代表,在驅動方式的選擇上經歷了反復論證,總結起來分為以下幾個方面:

       

      1)始作俑者:翹曲與非線性

      跟蹤支架結構失效最常見的是主軸的扭轉破壞,失效位置多發生于主軸的固定支撐位置或是主軸連接節點。主要是因為這些節點在承載時通常會誘導兩種應力的產生,“翹曲應力”和“非線性接觸應力”,這兩種應力的產生使得局部連接位置的應力水平遠超出主軸其他位置。

       

      端面翹曲:對于非純圓截面主軸構件,在承受扭矩的過程中,截面上各點沿主軸軸向會產生位移,當主軸軸向存在約束時,截面會產生翹曲和畸變,約束位置會派生出沿著主軸軸向的應力和截面切向的剪應力,這就是翹曲應力和畸變剪應力的產生機理,應力大小與扭矩和軸向約束效果有關。而回轉減速機與主軸的連接方式使得翹曲應力和畸變剪應力無法得到很好的釋放,畸變的產生對于主軸局部失穩非常不利,螺栓孔位置的孔壁承壓面臨著巨大的挑戰。

      非圓截面的端面翹曲現象


      非線性接觸:結構非線性問題通??梢苑譃槿N:幾何非線性、材料非線性和接觸非線性。幾何非線性和材料非線性與部件的自身性質有關,這里不做贅述;接觸非線性問題是一種普遍的非線性問題,但容易被忽略;當兩個不同物體的表面互相接觸并互切時,部件聯系處于接觸狀態,此時接觸位置的剛度出現階躍性的變化,這種狀態的變化導致接觸區域出現局部應力集中的現象。光伏支架結構同樣存在著很多非線性接觸傳力的現象,例如回轉減速機與主軸連接位置,主軸抱箍位置等,有螺栓連接的位置就會存在結構非線性接觸問題。而回轉減速機與主軸連接區域的接觸應力水平非常高,且難以做補強。如下圖所示,4mm的主軸方管在承受扭矩的工況下,減速機輸出軸與主軸接觸位置的局部應力是其他位置的3倍左右。



      推桿結構通過擺臂抱箍與主軸四面接觸連接,一來可以增大連接接觸面,二來這種摩擦約束方式可以適應微小的軸向變形,有助于降低接觸應力和減小翹曲變形現象。


      2)論三角支撐的重要性

      推桿-擺臂-立柱在支架結構上形成一個穩定的三角支撐,這種支撐方式可以將扭矩傳遞至變形更小、剛性更好的立柱或樁基下側,避免立柱頂端承受過大的扭矩,這樣可以大大減小立柱上部的彎矩載荷,避免驅動安裝座與立柱端部的破壞。



      三角支撐除了上述可靠性優勢外,在支撐系統的選型上也更加科學有效。推桿支撐的方式遵守T=△F×△L的力學方程,△F為推桿推拉力,△L為推桿與旋轉中心的空間力臂。在扭矩T恒定的情況下,增大擺臂長度可以減小推桿推力;縮小擺臂長度可以減小推桿行程,通過對這幾個參數的無級調節優化,可以在滿足性能要求前提下得到最低成本的方案。



      3)人性化的設計初衷

      “御風者Ⅱ”考慮采用推桿多點驅動的形式,兼顧到樁基施工誤差的補償、安裝更換的便捷性和良好的坡地適應性。


      樁基施工:光伏支架樁基施工誤差是無法避免的,采用推桿驅動方式便于對樁基定位誤差進行補償,特別是南北向誤差,在滿足可靠性的前提下,推桿驅動對于南北向的樁基定位可以做到無要求。

      安裝更換:推桿的安裝較為快捷,且在其中一個推桿出現故障時,不用移動主軸和卸下組件即可完成推桿的更換,拆換工作一人半小時之內即可完成。


      坡地適應性:雖然推桿本身可以承受一定的側向力,但出于結構壽命的考慮,“御風者Ⅱ”對推桿安裝座設置了角度調節功能,軸頭配置魚眼軸承以時刻適應安裝角度的偏差,能夠始終保證推桿與主軸垂直,處于軸向受力狀態。


      4)永不遮擋的傳動管

      “御風者Ⅱ”將電機、推桿減速箱和傳動管設置于靠近地面方向,可以始終保證這些部件遠離組件背板,這樣雙面組件可以得到充足的地面反射光,保證雙面組件的發電量增益。


      當然,回轉減速機可以大大節省安裝空間,同時還能減少傳動輔助結構的投入,對于離地高度較低的跟蹤系統這一優勢也會更加顯現,這些優勢有助于回轉減速機在荷載較小的短排單板豎放跟蹤支架上得到廣泛的應用。針對荷載較大的雙板豎放多點驅動跟蹤系統,因為上述方面的綜合考量,推桿無疑是更好的選擇。聚晟科技會根據具體情況具體分析,不同項目要求選擇不同的驅動方式,旨在提供科學的、可靠的、經濟的跟蹤系統。

       

      產品應用 | 大音希聲

      御風者Ⅱ”多點驅動跟蹤系統在榆林項目上首次亮相,產品先后又在多個國內“領跑者”項目及海外項目中得到了成功應用。從冬季寒潮侵襲的西北內陸到夏季臺風肆虐的東南沿海,在這些項目案例中不乏有單體百兆瓦級的吉電股份石河子平斜單項目,也有幾天前與臺風“煙花”正面交鋒的三峽新能源泗洪領跑者項目,產品經受住了復雜環境的多重考驗?!坝L者Ⅱ”多點驅動跟蹤系統的重要價值在于破解了行業“風致共振”的難題,使大長排雙板豎放(簡稱2P)方案的安全應用成為現實,度電成本大幅降低(樁基成本節約40%左右,支架成本節約10%左右,其它系統成本也有節約),為推動國家“雙碳目標”的早日實現做出了貢獻。


      石河子單體100MW多點驅動平斜單


      臺風“煙花” VS “ 御風者Ⅱ”(三峽泗洪領跑者項目)





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