摘 要

由于太阳跟踪器是靠一系列连续的起停动作实现对太阳的跟踪，其运行过程中推杆产生的冲击载荷会使跟踪器发生较大幅度的振动，这会导致太阳跟踪器产生跟踪偏差，从而影响系统的发电效率。本文借助有限元软件ABAQUS针对ST20-00型大型双轴太阳能发电系统结构进行了结构动力分析，讨论了太阳跟踪器前30阶的模态参数的变化规律，并计算了太阳跟踪器在冲击载荷作用下的振动响应特性。

首先，本文介绍了ABAQUS的建模原理，并利用该软件的CAE模块对太阳能发电系统结构进行了建模。然后，对太阳能发电系统结构进行了有限元模态分析，通过有效质量的校验方式，计算了前三十阶模态，获得了其固有频率和振型。分析了其中主导的振型阶次，对防止结构共振提供指导。给出了变形较大的薄弱杆件，为改善结构设计提供指导。最后，本文模拟了结构在起停工况下受力的瞬态分析，分析结果表明：载荷的加载速度对结构变形影响较大，本文采用的加载速度对结构变形的影响较小，对系统发电效率的影响可以忽略。

关键词：太阳能发电系统；瞬态分析；有限单元法；ABAQUS

Abstract

As the solar tracker achieving the sun tracking by a series of continuous start and stop action, the operation of the piston rod which causes an impact load will make a much substantial vibration on the tracker, which will lead to a deviation of the solar tracker, thus affecting the system's power generation efficiency. In this dissertation, the finite element software ABAQUS is used to analyze the structure of ST20-00 large-scale dual-axis solar generation system. The variation regular pattern of the modal parameters of the first 30th order of the solar tracker is distinguished and the vibration response characteristics of the solar tracker under the impact load is calculated.

Firstly, this dissertation introduces the modeling principle of ABAQUS, and uses the CAE module of the software to model the structure of solar power system. Then, the finite element modal analysis is carried out on the structure of the solar power system by the effective mass calibration method, the first 30 order modes are calculated and the natural frequency is extracted. The dominant models are analyzed, which provides guidance for preventing structural resonance. Large deformation of the weak beam is given to provide guidance for the structural design. Finally, this dissertation simulates the transient analysis of the structure under the start and stop conditions. The results show that the loading speed has a significant influence on the structural deformation. The loading speed used in this dissertation has little effect on the structural deformation. The negative effect on generation efficiency can be ignored.

Key Words：Solar-generator System；Transient Analysis；FEM；ABAQUS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外对大型太阳能发电系统结构研究现状 1

1.2.2 国内对大型太阳能发电系统结构研究的现状 2

1.2.3 大型太阳能发电系统结构有限元分析的研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 4

第2章 大型太阳能发电系统结构有限元模型的建立 5

2.1 有限元模拟软件的选择 5

2.1.1 有限元前处理软件建模逻辑的选择 5

2.1.2 有限元分析软件ABAQUS的简介 6

2.2 太阳能发电器三维几何模型的建立 6

2.2.1 ST20-00型号大型双轴太阳能发电系统结构实体模型介绍 6

2.2.2 ABAQUS非独立实体的建立 7

2.2.3 材料特性的设置 7

2.2.4 边界条件的设置 9

2.3 太阳能发电器网格的划分 10

2.4 本章小结 12

第3章 大型太阳能发电系统结构有限元模态分析 14

3.1 模态分析方法的选择 14

3.2 太阳能发电器模态分析计算 15

3.3 太阳能发电器模态分析结果的分析 16

3.4 本章小结 22

第4章 大型太阳能发电系统结构有限元瞬态分析 23

4.1 瞬态分析方法的选择 23

4.2 工况描述与载荷步划分 23

4.3 太阳能发电器瞬态分析计算 25

4.4 太阳能发电器瞬态分析结果分析 25

4.5 本章小结 29

第5章 总结和展望 31

5.1 全文总结 31

5.2 未来展望 31

参考文献 33

致 谢 35

绪论

• 1. 研究目的和意义

当今世界，常规能源快速消耗，环境问题日益严重，能量需求不断增加，社会广泛需要具有先进技术的，更有效的和绿色的新式电能源的深入研究。新能源和清洁燃料技术正在被密集地研究和调查。此中，太阳能是一种可再生的绿色能源，具有无噪音、无污染、无需生产材料等优点。

时至今日，太阳能技术包括太阳能加热，太阳能光伏，太阳能热电和太阳能建筑，它们为解决世界现在面临的一些最紧迫的能源问题做出巨大贡献。光伏发电是人类利用太阳能的一种最主要的方式，然而，目前其生产成本仍然比较高、转换效率较低，如果要更加有效地利用太阳能，使用优秀的跟踪技术以提升太阳能发电系统结构的转换效率是非常重要的。而跟踪技术的关键是发电系统中的光伏跟踪器，一般需要保证透镜入射角在±1°左右，以保证跟踪精度。跟踪器自我运动时产生的振动以及环境带来的一些影响，一旦引发精度不足，转化效率降低40~80%。进行太阳能发电器的振动特性以及起停冲击载荷对跟踪偏差的影响的分析，不仅能够提升太阳能电池板的工作效率，也能增加其工作寿命，能够为太阳能发电器的设计提供理论指导^[1]。