一种单点驱动光伏跟踪系统以及设计方法、装置

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，特别涉及一种单点驱动光伏跟踪系统以及设计方法、装置。

背景技术

在单点驱动的光伏平单轴跟踪支架计算中，由于不同项目位于不同地区、不同海拔、不同地形等环境因素中，因此光伏支架所受荷载差异巨大，光伏支架上每一部分的部件所承受的荷载也具有很大差异。为了在保证安全的前提下减少材料冗余，节省成本，每个项目都需要单独建立模型，对模型中每一部件单独指定截面材质，同时又要考虑实际安装过程中的干涉问题等。工程师们每天都有大量的项目需要计算、画总体装配图、出计算书、物料清单等，工作量大导致项目堆积，客户无法及时得到设计方案。

目前行业内计算模型及施加荷载的方法未考虑不同区域的跟踪支架结构，建模精度不高，且速度较为缓慢，建模效率不高。同时，目前行业内没有适用的在单点驱动的跟踪支架力学计算过程中使用全自动建模并生成应力比、支座反力等图表的软件化方法。

发明内容

本发明针对这种问题，本发明提供了一种单点驱动光伏跟踪系统以及设计方法、装置。

为了实现本发明以上目的，本发明是通过以下技术实现的：

一方面，本发明提供一种单点驱动光伏跟踪支架设计方法，所述光伏跟踪支架用于支撑光伏组件，所述光伏跟踪支架包括多个立柱、檩条、主轴及单个驱动装置，所述主轴安装在所述多个立柱顶部，所述驱动装置用于驱动所述主轴转动，所述设计方法包括：

将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置；

计算所述驱动装置到所述主轴端部之间的每个所述预设段的扭转角度；

计算每个所述预设段的载荷参数；

根据多个所述预设段的位置，建立单点驱动光伏跟踪支架的所述主轴及立柱模型，输入模型参数、每段预设段对应的扭转角度、载荷参数后进行有限元分析，获取应力比和支座反力参数；

采用上述方法对所述驱动装置另一侧的主轴进行设计。

在一些实施方式中，所述计算所述驱动装置到所述主轴端部之间的每个预设段的扭转角度包括：

自所述驱动装置朝向所述主轴一端依次计算每个所述预设段的扭矩，并自所述主轴一端朝向所述驱动装置依次迭代累加扭矩，获得多个所述预设段的扭转角度。

在一些实施方式中，所述扭矩的计算公式为：

T＝q*C

T

其中，T

在一些实施方式中，所述扭转角度的计算公式为：

θ

其中，θ

在一些实施方式中，所述的将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置，包括：

将所述立柱的位置对应的风洞测试数据对应分成多个位置点；

多个位置点包括驱动装置的位置点、主轴连接件位置点及立柱位置点，所述驱动装置的位置点、所述主轴连接件位置点、多个所述立柱位置点均为对所述主轴进行分段的初始位置点，对所述初始位置点进行去重和排序即可得到多个所述预设段的位置。

在一些实施方式中，在所述的将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置之前，还包括：

基于光伏组件的尺寸信息计算得到每个光伏组件的位置、檩条的位置；

结合目标项目所需的光伏组件的串数，自动计算出光伏跟踪支架的弦长和总长度；

通过设置所述光伏跟踪支架的最大跨度和最大单根主轴长度，得到所述光伏跟踪支架之间的外围、内围及深内围的尺寸。

在一些实施方式中，所述计算每个所述预设段的载荷参数，包括：

基于所述光伏组件的重量数据，计算每个预设段中主轴的恒荷载；

基于所述光伏跟踪支架的基本雪压、弦长、倾斜角度，计算每个预设段中主轴的雪荷载；

基于所述光伏跟踪支架的风压、弦长和风洞测试数据，计算每个预设段中主轴的风荷载。

在一些实施方式中，还包括：

基于所述光伏跟踪支架的应力比和支座反力，生成对应的应力比图和支座反力表格，以设计所述光伏跟踪支架。

在一些实施方式中，一种单点驱动光伏跟踪系统设计装置，所述光伏跟踪支架用于支撑光伏组件，所述光伏跟踪支架包括多个立柱、檩条、主轴及单个驱动装置，所述主轴安装在所述多个立柱顶部，所述驱动装置用于驱动所述主轴转动，所述设计装置包括：

分段模块，用于将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置；

计算模块，用于计算所述驱动装置到所述主轴端部之间的每个所述预设段的扭转角度；

所述计算模块，还用于计算每个所述预设段的载荷参数；

获取模块，用于根据多个所述预设段的位置，建立单点驱动光伏跟踪支架的所述主轴及立柱模型，输入模型参数、每段预设段对应的扭转角度、载荷参数后进行有限元分析，获取应力比和支座反力参数。

在一些实施方式中，一种单点驱动光伏跟踪系统，包括：利用所述的单点驱动光伏跟踪系统设计方法生成的单点驱动光伏跟踪系统。

本发明提供的一种单点驱动光伏跟踪系统以及设计方法、装置至少具有以下有益效果：

本发明提出一种单点驱动光伏跟踪系统力学分析自动建模方法，生成基于有限元分析结果的应力比图表、支座反力、计算书等文件，用于快速进行单点驱动光伏跟踪支架的设计。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种单点驱动光伏跟踪系统设计方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明中一种单点驱动光伏跟踪系统设计方法的一个实施例的示意图；

图2是本发明中从中间驱动装置处分成两边的跟踪支架一边的图的示意图；

图3是本发明中每大段分为5小段的图的示意图；

图4是本发明中增加特殊点位置的图的示意图；

图5是本发明中整理所有点后的图的示意图；

图6是本发明中实际所有主轴、立柱示意图的示意图；

图7是本发明中ER、EO1、EY1、EY2、EY3、EO2位置分布的示意图；

图8是本发明中组件和檩条的尺寸信息的示意图；

图9是本发明中光伏支架各区尺寸数据的示意图；

图10是本发明中光伏支架主要尺寸示意图的示意图；

图11是本发明中生成的各区Sap2000文件的示意图；

图12是本发明中每区14种模型的示意图；

图13是本发明中分析后的模型的示意图；

图14是本发明中主轴、立柱应力比图的示意图；

图15是本发明中支座反力表的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

在一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种单点驱动光伏跟踪系统设计方法的一个实施例，所述光伏跟踪支架用于支撑光伏组件，所述光伏跟踪支架包括多个立柱、檩条、主轴及单个驱动装置，所述主轴安装在所述多个立柱顶部，所述驱动装置用于驱动所述主轴转动，在本实施方式中，驱动装置为回转驱动器，所述设计方法包括：

S101将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置。

在本实施例中，基于主轴的位置及立柱的位置所对应的风洞测试时的分隔方式，将所述主轴进行分段，得到多个预设段的位置。通过将驱动装置轴向一侧的主轴平均分成10段，见图2中的1-10区间，每段为上述预设段。

S102计算所述驱动装置到所述主轴端部之间的每个预设段的扭转角度。

S103计算每个预设段的载荷参数。

S104根据多个所述预设段的位置，建立单点驱动光伏跟踪支架的所述主轴及立柱模型，输入模型参数、每段预设段对应的扭转角度、载荷参数后进行有限元分析，获取应力比和支座反力参数。

S105采用上述方法对所述驱动装置另一侧的主轴进行设计。

示例性的，在得到每一预设段的恒荷载、雪荷载和风荷载后，通过Sap2000力学分析软件的相应接口，在Sap2000根据每部分主轴和立柱的位置、方向、截面、材质等信息建立模型，并在主轴上根据每一段的扭转角度施加恒荷载、雪荷载和风荷载。之后开始分析，并根据分析后的文件中每个值所在表的位置，取应力比和支座反力等数据，形成直观的应力比图表和支座反力表，方便工程师进行查看。

在本实施例中，根据各预设段的位置与实际主轴的位置进行对比，得到每个所述预设段的截面属性；载入所述各预设段的位置及截面属性，以建立初始力度分析模型；对所述初始力度分析模型进行有限元分析，得到分析后的目标力度分析模型，以读取所述光伏跟踪支架的应力比和支座反力参数。

本发明提出一种单点驱动光伏跟踪系统力学分析自动建模方法，生成基于有限元分析结果的应力比图表、支座反力、计算书等文件，用于快速进行单点驱动光伏跟踪支架的设计。

在一个实施例中，所述计算所述驱动装置到所述主轴端部之间的每个预设段的扭转角度包括：

自所述驱动装置朝向所述主轴一端依次计算每个所述预设段的扭矩，并自所述主轴一端朝向所述驱动装置依次迭代累加扭矩，获得多个所述预设段的扭转角度。

在一些实施方式中，所述扭矩的计算公式为：

T＝q*C

T

其中，T

在一个实施方式中，所述扭转角度的计算公式为：

θ

其中，θ

在本实施例中，从驱动装置所在立柱开始，逐段计算当前预设段主轴的扭矩T(公式1)，然后从最后一段主轴开始，将扭矩T逐一累加(公式2)，得到当前预设段增加的扭转角度(公式3)，与前一段的累计扭转角度叠加为当前预设段实际扭转角度(公式4)，如此循环迭代100次即可得到每段稳定的扭转角度。

然后计算每一段主轴上的恒荷载、雪荷载和风荷载。

方法及公式如下：

公式1：T＝q*C

公式2：T

公式3：

公式4：θ

在得到每一段的恒荷载、雪荷载和风荷载后，通过Sap2000力学分析软件的相应接口，在Sap2000根据每部分主轴和立柱的位置、方向、截面、材质等信息建立模型，并在主轴上根据每一段的扭转角度施加恒荷载、雪荷载和风荷载。之后开始分析，并根据分析后的文件中每个值所在表的位置，取应力比和支座反力等数据，形成直观的应力比图表和支座反力表，方便工程师进行查看。

在一个实施例中，所述的将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置，包括：

将所述立柱的位置对应的风洞测试数据对应分成多个位置点；

多个位置点包括驱动装置的位置点、主轴连接件位置点及立柱位置点，所述驱动装置的位置点、所述主轴连接件位置点、多个所述立柱位置点均为对所述主轴进行分段的初始位置点，对所述初始位置点进行去重和排序即可得到多个所述预设段的位置。

在本实施例中，对于主轴及立柱所在跟踪支架中的不同位置所对应的风洞测试数据分隔方式，将主轴进行建模用的分段。

首先立柱的风洞数据是在每一边的有组件铺设的部分，平均分为10段，如图2所示的从中间驱动装置处分成两边的跟踪支架一边的图。然后将这10段中的每一段平均分为5段，用于进行扭转角度的迭代计算，如图3所示的每大段分为5小段的图。如图4所示，之后再把无组件分布的中间电机位置A、主轴连接件位置B、立柱位置C等特殊点加入到分段中。最后将所有点按位置进行排序和去重，去重就是去掉位置重叠的位置点，把重合位置的点只保留一个。排序就说是将去重后的位置点，按照主轴任一端开始，将位置点按序标号按坐标轴从左到右的顺序排序，得到图5所示的所有分段位置。

在一个实施例中，在所述的将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置之前，还包括：

基于光伏组件的尺寸信息计算得到每个光伏组件的位置、檩条的位置；

结合目标项目所需的光伏组件的串数，自动计算出光伏跟踪支架的弦长和总长度；

通过设置所述光伏跟踪支架的最大跨度和最大单根主轴长度，得到所述光伏跟踪之间的外围、内围及深内围的尺寸。

其中，所述围度的尺寸包含每个光伏组件的位置、所述檩条的位置、所述主轴的长度、所述主轴的位置、所述立柱的位置、所述立柱的跨度。

在本实施例中，如图6所示的实际所有主轴、立柱示意图，获得所有的分段位置后，与实际项目所用主轴的位置进行对比，得到用于建模分析的每一小段主轴的截面属性和材质。根据上述方法得到所有分排主轴的截面及材质后，开始根据风洞数据中的上扬力Uplift下的Wu、ER、EO1、EY1、EY2、EY3、EO2情况，及下压力Downforce下的Wd、ER、E01、EY1、EY2、EY3、E02情况进行扭转角度计算。其中Wu＝Wind load uplift，风荷载带来的上扬力，Wd＝Wind load downforce，风荷载带来的下压力，ER、EO1、EY1、EY2、EY3、EO2为风洞数据中模型所在的位置及系数的代号，具体位置分布如图7所示。

在一个实施例中，所述计算所述预设段中主轴上所需施加的荷载，包括：

基于所述光伏组件的重量数据，计算每个预设段中主轴的恒荷载；

基于所述光伏跟踪支架的基本雪压、弦长、倾斜角度，计算每个预设段中主轴的雪荷载；

基于所述光伏跟踪支架的风压、弦长和风洞测试数据，计算每个预设段中主轴的风荷载。

在本实施例中，所述计算所述预设段中主轴上所需施加的荷载，包括：

基于所述光伏组件的重量数据，计算每个预设段中主轴的恒荷载，公式如下：

其中：W为光伏组件的重量；g为重力加速度；n

其中，所述计算所述预设段中主轴上所需施加的荷载，包括：

基于所述光伏跟踪支架的基本雪压、弦长、倾斜角度，计算每个预设段中主轴的雪荷载，公式如下：

S＝q

其中：q

其中，所述计算所述预设段中主轴上所需施加的荷载，包括：

基于所述光伏跟踪支架的风压、弦长和风洞测试数据，计算每个预设段中主轴的风荷载，公式如下：

压力：W

扭矩：W

其中：GC

在一个实施例中，还包括：

基于所述光伏跟踪支架的应力比和支座反力，生成对应的应力比图和支座反力表格，以设计所述光伏跟踪支架。

在本实施例中，根据取得的应力比数据生成图和表。根据得到的应力比的数据，生成如图14所示的外围、内围、深内围的主轴、普通立柱、驱动立柱的应力比图。根据取得的支座反力数据生成支座反力表格。根据步骤5得到的支座反力的数据，生成如图15所示的支座反力表。根据上述方法得到的应力比图可用于判断当前所选主轴和立柱的截面是否满足设计要求；得到的支座反力表，可用于项目的桩基设计及打桩拉拔力测试的参考。

在一个实施例中，所述的载入所述各预设段的位置及截面属性，并设置所述主轴和所述立柱的释放角度、刚结角度和扭转角度，以建立初始力度分析模型，包括：

根据所述各预设段的位置中的起点三维坐标、止点三维坐标及截面属性中的截面名称，绘制初始力度分析模型；

设置所述主轴和所述立柱的释放角度、刚结角度和扭转角度，以完成所述初始力度分析模型的创建。

在一个实施例中，所述设置所述主轴和所述立柱的释放角度、刚结角度和扭转角度，以完成所述初始力度分析模型的创建，包括：

根据所述风洞测试数据中外围系数、内围系数和深内围系数，建立不同工况下的多个初始力度分析模型；

在所述初始力度分析模型内设置每个预设段的扭转角度并在所述预设段的主轴上施加对应的荷载。

在一个实施例中，本发明还提供一种单点驱动光伏跟踪系统设计方法，具体包括：

步骤1，根据项目基础信息得到光伏跟踪支架相关尺寸信息。根据图8所示的光伏组件尺寸，以及所选檩条的孔位，可计算出相邻两光伏组件的间距，从而得到每块光伏组件及檩条的精确位置。结合项目所需的组串数，即可自动计算出光伏跟踪支架的弦长C(竖直方向总高度)、支架总长度L

其中主要包含：

①每块光伏组件的位置，如图10中的1-36数字所示；

②所有檩条的位置，如图10中的光伏组件下方的方块所示；

③所有主轴的长度和位置，如图10中檩条下方的水平向长方形所示，其中图10中的(标号1、标号2、标号3)区域对应不同主轴截面；

④所有立柱的位置及跨度，如图10中竖向长方形所示，其中图10中(标号1、标号2、标号3)区域对应不同立柱截面；

步骤2，得到所有细分小段主轴的截面及位置。如图5所示获得所有的细分小段位置后，根据这些细分小段位置与图9中实际主轴的位置进行对比，得到细分小段的截面属性。细分小段的划分使得后续力学分析更加准确。

步骤3，得到所有细分小段主轴上所需施加的荷载及方向。根据项目的风雪压、组件及支架的自重，结合风洞数据，计算得到所有细分小段上所需施加的荷载及方向。

步骤4，将所有尺寸及荷载信息传入Sap2000中并建立模型。使用Sap2000的AddByCoord方法，根据每细分小段的起、止点三维坐标及截面名称，在Sap2000中绘制模型，该方法中的参数为AddByCoord(起点X轴坐标，起点Y轴坐标，起点Z轴坐标，止点X轴坐标，止点Y轴坐标，止点Z轴坐标，起点X轴坐标，返回在当前模型中的序号，当前预设段截面名称)，均已在步骤2中得到。之后通过相关方法设置主轴、立柱的释放、刚结和旋转角度之后，模型即创建完成。由于风洞数据中外围、内围、深内围系数不同建立如图11所示的3个Sap2000文件，根据各种工况不同，在每个文件中建立如图12所示的14组模型。

然后根据步骤3得到的分段荷载及角度，使用Sap2000中的SetLocalAxes方法设置每段的角度，该方法中的参数为SetLocalAxes(当前模型中的序号，角度)。再使用Sap2000中的SetLoadDistributed方法，按实际角度在不同工况模型的细分主轴上施加相应荷载。该方法中的参数为：

SetLoadDistributed(当前模型中的序号，荷载名称，类型(力或扭矩)，方向(坐标轴方向或是重力方向)，荷载距离起始处间距比例，荷载距离终止处间距比例，起始处荷载大小，终止处荷载大小)。

步骤5，运行分析，读取应力比和支座反力。

先使用Sap2000中的Analyze.RunAnalysis和DesignSteel.StartDesign方法进行有限元分析，得到如图13所示的分析后的模型。然后使用Sap2000中的GetSummaryResult方法得到每一小段的应力比，汇总为数组。

然后再使用Sap2000中的Results.FrameForce方法得到每一小段在不同工况组合下的反力，并取极值存入所属小段的数组中。

步骤6，根据取得的应力比数据生成图和表。根据步骤5得到的应力比的数据，生成如图14所示的外围、内围、深内围的主轴、普通立柱、驱动立柱的应力比图。外围、内围、深内围的跟踪支架根据具体项目的地形、位置进行划分，具体划分方式为现有技术，这里不进行详细描述。

步骤7，根据取得的支座反力数据生成支座反力表格。根据步骤5得到的支座反力的数据，生成如图15所示的支座反力表。

根据上述方法得到的应力比图可用于判断当前所选主轴和立柱的截面是否满足设计要求；得到的支座反力表，可用于项目的桩基设计及打桩拉拔力测试的参考。

采用上述方法对驱动装置另一侧的主轴进行设计。

本实施例中基于风洞测试数据及支架各部件截面参数自动计算第一细分小段所应施加的荷载，并且在Sap2000中自动建模和施加荷载，进行计算分析并提取出应力比和支座反力等数据，使力学分析工作自动化、图形化。

在一个实施例中，本发明还提供一种单点驱动光伏跟踪系统设计装置，所述光伏跟踪支架用于支撑光伏组件，所述光伏跟踪支架包括多个立柱、檩条、主轴及单个驱动装置，所述主轴安装在所述多个立柱顶部，所述驱动装置用于驱动所述主轴转动，所述设计装置包括：

分段模块，用于将所述驱动装置轴向一侧的主轴进行分段，得到多个预设段的位置；

计算模块，用于计算所述驱动装置到所述主轴端部之间的每个所述预设段的扭转角度；

所述计算模块，还用于计算每个所述预设段的载荷参数；

获取模块，用于根据多个所述预设段的位置，建立单点驱动光伏跟踪支架的所述主轴及立柱模型，输入模型参数、每段预设段对应的扭转角度、载荷参数后进行有限元分析，获取应力比和支座反力参数。

在一个实施例中，本发明还提供一种单点驱动光伏跟踪系统，包括：利用所述的单点驱动光伏跟踪系统设计方法生成的单点驱动光伏跟踪系统。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的程序模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的程序单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各程序模块可以集成在一个处理单元中，也可是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个处理单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件程序单元的形式实现。另外，各程序模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其他的方式实现。示例性的，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，示例性的，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，示例性的，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性、机械或其他的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。