太阳能路灯杆标准参数 太阳能路灯灯杆标准

太阳能路灯）利用太阳电池的光伏特效原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能通过控制器储存在蓄电池中，夜晚蓄电池开始向光源提供电源1。太阳能是地球上最直接、最普遍、最清洁的能源，可以说是巨大的可再生能源，无穷无尽。太阳能路灯虽然主要采用了经验设计的方法，但现在研究得不多，仍然有很多问题。许嘉梁2指出，太阳能路灯的应用造价高，多受自然因素的限制，光照范围窄等缺陷。太阳能路灯最大的缺点是能量转换效率低，太阳能发电电池的转换效率约为15%~19%。另一方面，灯杆是钥匙之一，灯杆的强度计算通常使用机械式计算来计算灯杆的强度的模型和在最大风负荷时能够承受灯杆基座连接地脚螺栓的耐风负荷的能力。街灯整体部件的受力作用主要分为两大部分：1）电池组件安装支架的耐风承受力，2）灯杆部分的构造承受力使用计算机有限元分析对结构部件整体进行受力分析和校正4-6。

这里，对太阳能路灯风负荷、雪负荷及自身重力引起的灯杆各部分的应力及变形进行有限元分析，在分析了以往的设计灯杆的强度和刚度之后，合理地改善设计灯杆，达成灯杆的安全性能及材料节约的目的。

1街灯杆有限元分析

1.1有限元模型的构建

太阳能路灯由地基、法兰、螺栓、灯棒、灯头、太阳能支架、电池板及电池板支架构成。SolidWorks在通过软件构建路灯的三维模型后，直接导入ABAQUS有限元软件进行解析。图1示出了太阳能路灯的几何模型。有限元在构建模型时，由于灯杆的基座相对于地面固定，所以基座底部的3个移动自由度受到限制。街灯的地基和灯棒的材料性能参数如表1所示。支架的材料也和灯杆一样采用普通钢。

1.2风负荷作用下的街灯棒的有限元分析

根据建筑结构负荷规范，根据50年一度的平原地区10m高风压的设计要求（（建筑结构载荷规范—GB5rnrn2001），决定施加到灯杆上的风负荷的大小。根据太阳光板和灯杆的受风面积，计算照明器具和杆体表面的受风负荷。

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

F系统=σ×A2

向灯杆对应的位置施加上述风负荷。为了考虑灯杆部分重力的影响，将所有材料的重力加速度设定为9.8m/s2。有限元通过计算太阳能路灯图2、图3示出灯杆的风负荷和自重作用下的整体和部分部件的变形和应力云图。

从图2和图3可以看出，灯杆的最大变形是支架中的191.2mm。路灯灯灯棒的最大应力发生在口罩1与灯棒接触的尖头点，在这里尖头点只是与棒体接触，因此存在明显的应力集中现象，但是软件只能模拟最理想的状况，实际上尖头点在按压后局部崩溃变形进行强度分析时可以不考虑。

有限元通过计算，高灯杆的最大值是82.8MPa，在高灯杆接触口罩4的风向面上发生。低灯杆的最大应力是63.9MPa，在低灯杆与口罩1接触的背风面上产生。材料强度及许用应力，Q235关于钢材材料，极限应力为235MPa，如果安全系数为1.4许用应力为168MPa。明显地，高杆灯应力满足强度要求。

1.3雪负荷作用下灯杆的有限元分析

照明器具及轴表面承受的负荷，以基本雪压，即重现期50年的最大雪压计算建筑结构载荷规范—GB5rnrn2001）。雪负荷是太阳能电池板施加竖直向下的力。

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

单独分析由于雪负荷引起的应力和变形时，最大变形发生在支架上，竖直向下的最大位移为5.97mm。最大应力在灯杆的口罩1中发生，最大应力为7.60MPa。发现由于雪负荷引起的应力和位移都很小，雪负荷对路灯的影响不大。

1.4风载雪负荷共同作用下的有限元分析

最后，关于风负荷，雪负荷的共同作用下的路灯有限元分析。通过计算，路灯的最大变形发生在支架上，变形量发生在188.2mm，最大应力发生在口罩1上，最大应力发生在137.7MPa，灯杆的最大应力是82.1MPa。说明了在风负荷和雪负荷的共同作用下，路灯整体的构造强度符合要求。

1.5各种负荷的比较

以下表示各壳体中各部件的应力和位移的对比，表2表示各部件最大应力的对比。

从应力比较表2可知，雪负荷对路灯没有大的影响，10m太阳能路灯在3个不同的场景下动作时，高灯杆的最大应力比低灯杆大。除了灯杆局部存在应力集中而增大应力值以外，棒体大部分地方的应力值小于82.8MPa，有一定的优化空间。

从表3的位移可知，不同情况下下位偏移值不同，除去雪负荷，各种方案中高的灯杆和支架的变形量大，其他地方变形量小，变形的地方符合实际情况，结果合理。

2设计的改善

从10m太阳能路灯的结构分析可知，作为主要的负荷部件，高灯棒、低灯棒主体及支架的强度、刚性影响10m太阳能路灯的使用寿命。在保证结构安全的前提下，为了实现结构的轻量化，通过改变灯杆的壁厚，可以改变高杆灯的强度和刚度。有限元基于计算结果，针对10m太阳能路灯结构提出的改良设计方案

将高灯棒、低灯棒的壁厚从3.75mm调整为3mm，将电池板支架角钢的壁厚从5mm调整为3mm。

将改良后的10m太阳能路灯再导入ABAQUS软件进行解析，得到路灯各部的应力、位移云图。表4表示路灯优化前后的各部件最大应力的比较。

从表4开始，优化后路灯的应力增大，但在许用应力范围内。如图3所示，灯杆最大应力在高灯杆中是104.0MPa，其局部应力如图3所示被放大。在这种情况下，路灯最大应力比许用应力有一定的差别，在理论上还可以优化，但是考虑到材料的疲劳和软件分析的理想化，不进行进一步的优化。

3结论

针对10m太阳能路灯的风负荷、雪负荷以及自重力作用下有限元分析，求街灯各部件的主要应力和位移状况，解析部件的最大应力。最后，优化设计街灯杆，优化后的两个灯杆的应力增大，但仍然小于许用应力，位移前后的变化不大，均符合要求，优化效果相对理想。