Создание и прочностной расчет конструкции крепления солнечного модуля ФСМ 200п в системе Компас 3D Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

г(ш)]

I \QQ/ *

УДК 62-21

UDC 62-21

СОЗДАНИЕ И ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ КРЕПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ ФСМ 200П В СИСТЕМЕ КОМПАС 3D.

CREATION AND STRENGTH CALCULATION OF FSM 200P SOLAR MODULE STRUCTURE MOUNTING IN KOMPAS 3D CAD SYSTEM.

И. Д. Кукаркин, К. А. Тимолянов

I. D. Kukarkin, K. A. Timolyanov

Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation

Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Российская Федерация ilya.kukarkin@yandex.ru ka300790@gmail.com

ilya.kukarkin@yandex.ru ka300790@gmail.com

Предложен вариант конструкции крепления This article proposes a FSM-200P solar battery

солнечной батареи ФСМ-200П к фасаду structure mounting to the front of the Don State

главного корпуса ДГТУ. Приведены формулы Technical University main building. The paper

и расчеты нагрузок, возникающих в процессе provides formulas and load calculations that arise

Ключевые слова: солнечная батарея ФСМ- Keywords: FSM-200P solar battery, mounting 200П, конструкция крепления, расчет structure, load calculation, strength calculation. нагрузок, расчет на прочность.

Введение. В современном мире активно развиваются технологии, помогающие использовать альтернативные источники энергии. Устройством, помогающим использовать солнечную энергию, является солнечная электростанция. Получение энергии с помощью солнечной электростанции является экологически чистым. Кроме того, получение дополнительной энергии позволяет сократить финансовые расходы на электроэнергию. Этим объясняется популярность солнечных радиостанций во многих сферах — промышленной, муниципальной, частной.

Для установки солнечного модуля необходима конструкция, которая обеспечит надежное закрепление с учетом климатических условий. Существует множество вариантов исполнения таких приспособлений, но многие из них имеют недостатки — сложность изготовления, большая стоимость.

Основная часть. Для устранения вышеуказанных недостатков было принято решение разработать бюджетный вариант крепления солнечной батареи, отвечающий прочностным характеристикам в выбранной климатической зоне (г. Ростов-на-Дону). В качестве солнечной панели был использован солнечный модуль ФСМ-200П, обладающий пиковой мощностью 200Вт при напряжении 24В. Габаритные размеры установки — 1324x992x45мм, вес — 19,5 кг.

При проектировании данной конструкции необходимо учитывать нагрузки, возникающие из-за погодных условий. Расчет был выполнен в соответствии с СНиП 2.01.07-85 для снеговой, ветровой и гололедной нагрузок.

эксплуатации солнечного модуля, а также прочностной расчет предложенной конструкции крепления.

during the operation of the solar module, as well as the strength calculation of the proposed mounting structure.

г(шУ

Iл

Снеговая нагрузка

Полная нормативная масса снега т определяется по формуле:

т = т0д,

где то — масса снегового покрова на 1м2 горизонтальной поверхности земли (по справочным

данным для Ростовской области т0 =. 120 кг[1]),

д — коэффициент перехода от массы снега на горизонтальной поверхности к массе снега на наклонную поверхность (по данным приложения СНиП [1], для угла уклона 25-60 градусов д=0,7). Масса снега на 1 м2: т=120 (кг/м2)- 0,7 = 84 (кг/м2)

Найдем полную массу снегового покрова М, находящегося на поверхности солнечного модуля:

Ветровая нагрузка

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки а (Па) на высоте 2 над поверхностью земли определяется по формуле:

где ю о — нормативное значение ветрового давления (п. 6.4 Строительных норм и правил (СНиП), для Ростова-на-Дону ю 0=_ 0,38 кПа [1]).

к — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (п. 6.5 СНиП, для высоты 15м городской местности к=0,75 [1]).

с — аэродинамический коэффициент (п. 6.6 СНиП, С=2 [1]).

М =т£,

2

где £ — площадь модуля ФСМ-200П (м ).

М = 84 (кг/м2) • 1324 (мм) • 992 (мм) • 10-6 = 106,4 (кг)

Затем определим силу Рснег с которой снеговой покров действует на модуль (вес):

Рснег =М^, Р снег = 106,4 (кг) ■ 9,81 (м/с2) = 1042,7 (Н), где g — ускорение свободного падения

(м/с ).

ю= ю0• к- с,

ю = 0,38- 103 (Па) • 0,75 • 2 = 570 (Па).

Полная ветровая нагрузка.Рветр на солнечный модуль определяется по формуле:

Рветр=.570 (Па) 1324 (мм) • 992 (мм) • 10-6 = 748,4 (Н).

Гололедная нагрузка

Нормативное значение поверхностной гололедной нагрузки i (Па) будет определено:

¡=Ъ к-дг q g,

где Ъ — толщина стенки льда на элементах круглого сечения диаметром 10мм, расположенного на высоте 10м (п. 7.2 СНиП Ъ=10 мм [1]).

к — коэффициент, учитывающий изменение толщины стенки льда по высоте (п. 7.2 СНиП, в соответствии с таблицей 13 принимаем к =1,1 [1])

ц2 — коэффициент, учитывающий отношение площади поверхности элемента подверженной обледенению к полной площади поверхности элемента (в соответствии со СНиП [1] ц2=0,6)

q — плотность льда (принимаем q =900 кг/м3)

g — ускорение свободного падения (g=9,8 м/с ).

i = 10 (мм) • 1,1 • 0,6 • 900 (кг/м3)- 9,8 м/с2= 58,212 (Па).

Чтобы найти значение силы гололедной нагрузки Ргололег) (Н), нужно умножить нормативное значение поверхностной гололедной нагрузки на площадь поверхности, на которую он будет действовать:

Fгололед ,

Fгололед = 58,212 (Па) • 1324 (мм) • 992 (мм) • 10-6 = 76,46 (H).

После нахождения сил атмосферных нагрузок находим суммарное значение силы F(B), действующей на крепление модуля.

F = F + F + F + F

снег ветр гололед тяж'

где FnmM: — сила тяжести модуля ФСМ-200П.

F= 1042,7 (Н) + 748,4 (Н) + 76,46 (Н) + 16 (кг) • 9,8 (м/с2) = 2024 (Н)

Прочностной расчет в системе APM FEM Компас v16

Для проведения расчета была построена модель конструкции крепления в системе Компас 3D (рис.1).

Рис.1. Исходная модель крепления

В качестве материала были использованы стальные равнополочные уголки 36x36x3 (мм) по ГОСТ 19771-93. Уголки были соединены с помощью винтовых соединений. В системе Компас 3D был выполнен статистический расчет, расчет на устойчивость и на собственные частоты с помощью библиотеки прочностного конечно-элементного анализа APM FEM, опираясь на ранее рассчитанные значения силы .Р(Н), действующей на крепление модуля. Были получены следующие результаты (Табл. 1).

Таблица 1

Инерционные характеристики модели

Наименование Значение

Масса модели [кг] 13,370854

Центр тяжести модели [м] ( 0,256768 ; 0,260018 ; -0,642402 )

Абсолютное значение реакции [Н] 2024,600016

Абсолютное значение момента [Н- м] 268,108364

г(ш)]

Iл

Рис. 2. Эквивалентное напряжение по Мизесу. Максимальное 8УМ=42.95Мпа

Рис. 3. Суммарное линейное перемещение. Максимальное И8ИМ=0,52мм

Рис. 4. Коэффициент запаса по прочности (минимальное значение 9,65, по текучести 5,53)

Моды собственных частот предлагаемой конструкции — 54,8Гц; 85,7 Гц; 131,9 Гц; 161,75 Гц; 167,75 Гц.

Предварительные расчеты показали, что предложенная конструкция обладает коэффициентом запаса по прочности 9,65.

Экономический расчет конструкции Стоимость изготовления конструкции изложена в таблице 2.

Таблица 2

Стоимость изготовления крепления для солнечной батареи

Материалы Количество Стоимость Сумма (руб)

уголок 36x36x3 ГОСТ 19771-93 9 м 70 руб/м 630

анкер-болт с шестигранной головкой 10x120 8 шт 16,2 руб/шт 130

Итого: 760 руб

Заключение:

В работе предложена конструкция крепления солнечной панели ФСМ-200П на фасад здания. Конструкция удовлетворяет расчетным прочностным требованиям, выполнена из доступных материалов, проста в изготовлении, экономична. Она может быть усовершенствована путем создания возможности изменения угла наклона солнечной панели.

Библиографический список

1. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия: СНиП 2.01.07-85 / Министерство регионального развития Российской Федерации. — Москва: Минрегион России, 2011. — 96 с.

2. Компас-3D V16 / Руководство пользователя. Служба технической поддержки компании Аскон. — Режим доступа: http://support.ascon.ru/download/ (дата обращения: 11.11.2016).