基于太陽能路燈特殊性，燈桿的參數(shù)設計有啥要求？

　　太陽能路燈利用太陽電池的光伏特效應原理,白天太陽電池吸收太陽能光子能量產生電能通過控制器存儲在蓄電池里,夜晚蓄電池便開始為光源提供電源[1] 。太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源,作為一種巨量可再生能源,可以說是取之不盡用之不竭。太陽能路燈主要都是采用經驗設計的方法,目前對其深入研究不是很多,仍存在很多問題。許嘉梁[2] 指出了太陽能路燈的應用具有造價偏高,受自然因素的限制較多,光照范圍窄等缺陷。太陽能路燈最大的缺點就是能量轉換效率低,太陽能光伏電池的轉換效率約為15% ~19%[3] 。而燈桿是關鍵件之一,對燈桿的強度計算通常采用力學公式計算來驗算燈桿強度的模型,以及最大風載荷時燈桿基座緊固地腳螺栓抗風載荷所能承受能力進行計算。路燈整個構件的受力作用主要分為兩大部分:1) 電池組件安裝支架的抗風受力,2) 燈桿部分的結構受力采用計算機有限元分析對整個結構構件作受力分析和校核[4-6] 。

　　現(xiàn)就太陽能路燈在風載、雪載以及自身重力作用下燈桿各部分的應力及變形進行有限元分析,在對原有設計燈桿的強度與剛度進行分析的基礎上,再對燈桿進行合理的改進設計,以達到提高燈桿的安全性能及節(jié)省材料的目的。

　　1　路燈燈桿有限元分析

　　1.1　有限元模型的建立

　　太陽能路燈由地基、法蘭、螺栓、燈桿、燈頭、太陽能支架、電池板及電池板支架組成。通過SolidWorks 軟件建立路燈的三維模型后,直接導入ABAQUS 有限元軟件進行分析。太陽能路燈的幾何模型如圖1 所示。在建立有限元模型時,由于燈桿的基座相對于地面是固定不動的,所以約束基座底端的3 個移動自由度。路燈的地基和燈桿的材料性能參數(shù)如表1 所示。支架的材料也采用與燈桿相同的普通鋼。

　　1.2　風載作用下路燈燈桿的有限元分析

　　根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范,按照50 年一遇的平原地區(qū)10 m 高度風壓的設計要求(建筑結構載荷規(guī)范—GB50009_2001),來確定施加于燈桿的風載大小。根據(jù)太陽能板和燈桿的受風面積計算燈具及桿身表面受風的荷載。

　　F太陽能板=σ×A1 =0.000 45 MPa×1 956 mm×992 mm×sin40° =561 N

　　F桿身=σ×A2

　　將上述風載施加在燈桿相應的位置。為了考慮燈桿部分重力的影響, 設置所有材料的重力加速度為9.8 m/ s2。通過有限元計算,得到太陽能路燈燈桿在風載與自重作用下的整體及部分構件的變形和應力云圖如圖2、圖3。

　　由圖2 和圖3 可以看出,路燈燈桿的最大變形為191.2 mm,在支架處。路燈燈桿的最大應力發(fā)生在蒙板1與燈桿接觸的尖點處,由于此處只是尖點與桿身擠壓接觸,存在明顯的應力集中現(xiàn)象,但是軟件只能模擬最理想情況,實際上尖點在擠壓后發(fā)生局部壓潰變形,在進行強度分析時可以不予考慮。

　　通過有限元計算得到,高燈桿的最大應為82.8 MPa，發(fā)生在高燈桿與蒙板4 接觸的迎風面處。矮燈桿的最大應力為63.9 MPa,發(fā)生在矮燈桿與蒙板1 接觸的背風面處。材料強度及許用應力是根據(jù)不同材料、使用場合來規(guī)定的,對于Q235 鋼材料,其極限應力為235 MPa,安全系數(shù)取1.4,則許用應力為168 MPa。顯然,高桿燈應力符合強度要求。

　　1.3　雪載作用下燈桿的有限元分析

　　對燈具及桿身表面受的荷載按基本雪壓,即重現(xiàn)期為50 年的最大雪壓來計算(建筑結構載荷規(guī)范—GB50009_2001)。雪載是施加在太陽能電池板上豎直向下的力。

　　F太陽能板=σ×A1 =0.000 4 MPa×1 956 mm×992 mm×cos40° =669 N

　　單獨分析雪載引起的應力和變形可知,最大變形發(fā)生在支架處,豎直向下的最大位移為5.97 mm。最大應力發(fā)生在燈桿的蒙板1 處,最大應力為7.60 MPa。說明雪載引起的應力和位移都小,可見雪載對路燈的影響不大。

　　1.4　風載雪載共同作用下的有限元分析

　　最后再對風載、雪載共同作用下的路燈進行有限元分析。計算發(fā)現(xiàn),路燈的最大變形發(fā)生在支架處,變形量為188.2 mm, 最大應力發(fā)生在蒙板1 處, 最大應力為137.7 MPa,燈桿的最大應力為82.1 MPa。說明在風載和雪載的共同作用下,路燈整體結構的強度符合要求。

　　1.5　各種載荷的比較

　　下面給出各種工況下各部件的應力與位移對比,表2所示為各部件最大應力對比。

　　從應力對比表2 可以看出,雪載對路燈的影響不大,10 m太陽能路燈在3 種不同工況下工作時,高燈桿的最大應力比矮燈桿的大。燈桿除了局部存在著應力集中而使應力值較大外, 桿身絕大部分地方的應力值均小于82.8 MPa,有一定的優(yōu)化空間。

　　從表3 中位移可以看出,不同工況下位移值都有所不同,除了雪載,各種工況中高燈桿及支架的變形量都較大,其他地方變形量都比較小,變形的地方符合實際情況,結果比較合理。

　　2　改進設計

　　對10 m 太陽能路燈的結構分析可知,作為主要的承載部件,高燈桿、矮燈桿桿身及支架的強度、剛度影響著10 m 太陽能路燈的使用壽命。為了在保證結構安全的前提下,實現(xiàn)結構輕量化的目的,可以通過改變燈桿的壁厚來改變高桿燈的強度和剛度。根據(jù)有限元計算結果,對10 m 太陽能路燈結構提出的改進設計方案為:

　　將高燈桿、矮燈桿的壁厚由3.75 mm 調整到3 mm,同時將電池板支架角鋼的壁厚由5 mm 調整到3 mm。

　　將改進后的10 m 太陽能路燈再次導入ABAQUS 軟件進行分析,得到路燈各部分的應力、位移云圖。表4 所示為路燈優(yōu)化前后各部件最大應力的對比。

　　由表4 可知,優(yōu)化后路燈的應力有所增大,但還處于許用應力范圍內。燈桿最大應力在高燈桿處為104.0 MPa,其局部應力放大圖如圖3 所示。雖然此時路燈最大應力較許用應力還有一定差距,理論上還可以再進行優(yōu)化,但是考慮到材料的疲勞以及軟件分析的理想化,不再進行進一步的優(yōu)化。

　　3　結論

　　通過對10 m 太陽能路燈在風載、雪載以及自身重力作用下的有限元分析,得出路燈各個部件的主要應力與位移情況,并對構件的最大應力進行了分析。最后,對路燈燈桿進行優(yōu)化設計,優(yōu)化后兩個燈桿的應力有所增大,但仍小于許用應力,位移前后變化不大,都符合要求,優(yōu)化效果比較理想。