馬文勇， 孫高健， 劉小兵， 邢克勇， 劉慶寬

(1.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043；3.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050043)

太陽(yáng)能光伏板風(fēng)荷載分布模型試驗(yàn)研究

馬文勇1,2， 孫高健2， 劉小兵1,2， 邢克勇3， 劉慶寬1,2

(1.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043；3.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050043)

引起太陽(yáng)能光伏板及其支架風(fēng)致?lián)p壞的一個(gè)主要原因是其抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法尤其是風(fēng)荷載取值模型仍不夠完善。通過(guò)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)得到的光伏板表面體型系數(shù)分布規(guī)律及其產(chǎn)生的整體風(fēng)荷載，提出了考慮光伏板傾角及風(fēng)致彎矩影響的四角點(diǎn)平面風(fēng)荷載分布模型及偏心距模型。結(jié)合光伏板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了均勻分布、梯形分布和偏心距三種用于抗風(fēng)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載取值模型。該研究分析了目前風(fēng)荷載取值模型的不足并提出了改進(jìn)措施，通過(guò)三種風(fēng)荷載分布模型的對(duì)比，為光伏板抗風(fēng)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載取值提供了依據(jù)。

光伏板；風(fēng)洞試驗(yàn)；體型系數(shù)；風(fēng)荷載模型

支持和鼓勵(lì)企業(yè)、機(jī)構(gòu)、社區(qū)和家庭安裝、使用光伏發(fā)電系統(tǒng)是解決目前我國(guó)面臨能源和環(huán)境壓力主要方案之一。這些大量出現(xiàn)的分布式光伏板及其支架常常在強(qiáng)風(fēng)的作用下發(fā)生破壞。其中一個(gè)重要的原因是由于針對(duì)光伏支架這種小型結(jié)構(gòu)，其主要風(fēng)荷載是作用在光伏板表面上的風(fēng)壓，在其大面積應(yīng)用前，針對(duì)其風(fēng)荷載研究相對(duì)缺乏，抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法及風(fēng)荷載取值模型都不完善。

按照我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]中的規(guī)定，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的主要參數(shù)采用體型系數(shù)描述。該規(guī)范中并未規(guī)定光伏板結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)，但可以參考開敞單坡頂蓋屋面體型系數(shù)取值。我國(guó)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中對(duì)光伏板體型系數(shù)的取值規(guī)定“地面和樓頂支架的體型系數(shù)取1.3”。針對(duì)目前的光伏支架設(shè)計(jì)，以上規(guī)定無(wú)論對(duì)光伏支架風(fēng)荷載隨傾角變化以及風(fēng)荷載分布形式上都有待完善。美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)(The American Society of Civil Engineers， ASCE)[3]規(guī)定底部開口建筑屋蓋的風(fēng)荷載與我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》類似，其考慮了傾角對(duì)風(fēng)荷載的影響，迎風(fēng)端和背風(fēng)端的取值不同。歐洲規(guī)范[4]將開敞單坡頂蓋風(fēng)荷載分為九個(gè)區(qū)域并且考慮了屋蓋傾角以及底部阻塞率對(duì)表面風(fēng)荷載的影響。日本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工[5]中，給出了地面單獨(dú)安裝和屋頂安裝時(shí)風(fēng)力系數(shù)取值，并且給出了風(fēng)力系數(shù)隨傾角的變化。

以上的五個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光伏板風(fēng)荷載分布模型及取值存在較大差異：從風(fēng)荷載分布形式上，分別出現(xiàn)了均勻分布、兩區(qū)域均勻分布和九區(qū)域均勻分布；從傾角影響看，我國(guó)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》不考慮傾角影響，其針對(duì)平行地面安裝的光伏板正壓體型系取值是歐洲規(guī)范對(duì)應(yīng)值的7倍。

張慶祝等[6]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試認(rèn)為必須考慮風(fēng)荷載作用在光伏板上偏心形成的彎矩。賀廣陵等[7]也提到了考慮風(fēng)荷載引起光伏板彎矩的重要性，并認(rèn)為采用梯形分布可能更合理。文獻(xiàn)[8-11]關(guān)注了屋頂上太陽(yáng)能光伏板的風(fēng)荷載分布問(wèn)題。

從以上的相關(guān)研究成果可以看出，光伏板表面風(fēng)荷載的分布形式和不同傾角下的光伏板的風(fēng)荷載取值是目前光伏板風(fēng)荷載取值模型存在的主要問(wèn)題。本文通過(guò)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得光伏板表面的風(fēng)荷載分布，通過(guò)對(duì)其產(chǎn)生的整體風(fēng)荷載分析，提出了考慮風(fēng)荷載分布及傾角影響的梯形分布模型和偏心距模型，為光伏板的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了建議和依據(jù)。

1 模型及試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室低速試驗(yàn)段進(jìn)行[12]，試驗(yàn)段4.4 m寬，3 m高，24 m長(zhǎng)。該試驗(yàn)段在23 m/s風(fēng)速下，速度場(chǎng)不均勻性<1%，背景湍流度<1%。此次試驗(yàn)為剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)。

1.1 模型簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能光伏板有多種規(guī)格。圖 1中光伏板長(zhǎng)度L=3 280 mm；光伏板寬度B=1 984 mm；光伏板厚度為50 mm；光伏板離地高度H=0.5 m。試驗(yàn)中采用4∶1的試驗(yàn)縮尺比。為方便調(diào)節(jié)，光伏板采用四個(gè)高度可調(diào)的邊長(zhǎng)為20 mm的方柱支撐，該尺寸主要是從模型制作和調(diào)整的角度考慮，與實(shí)際光伏板支撐有一定的差別。模型采用ABS板制作，模型上下表面對(duì)應(yīng)的120個(gè)位置布置有測(cè)壓點(diǎn)，共240個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。

圖1 模型及試驗(yàn)參數(shù)定義Fig.1 Test model and definition of testing parameter

1.2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用低湍流度均勻流場(chǎng)(湍流度1%左右)自由來(lái)流風(fēng)速為12 m/s。壓力測(cè)試采用ESP-64Hd壓力掃描閥配合DTC采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)的測(cè)試精度為滿量程(2 540 Pa)的0.1%。采樣頻率為331.6 Hz，采樣時(shí)間為30 s。測(cè)壓管長(zhǎng)度為1.2 m，采用分布摩擦理論模型進(jìn)行了管路信號(hào)畸變修正。

圖 1中：α為風(fēng)向角，取值為0°～180°，以15°為間隔；β為光伏板傾角，分別取5°、10°、20°、30°、40°、55°六種工況。

1.3 參數(shù)定義

定義測(cè)點(diǎn)的體型系數(shù)為

(1)

式中：μsi(t)為i點(diǎn)體型系數(shù)；Pwi(t)和Pni(t)為i點(diǎn)位置的光伏板上表面風(fēng)壓和下表面風(fēng)壓；U為來(lái)流風(fēng)速。整體體型系數(shù)μs、繞短軸和長(zhǎng)軸的彎矩系數(shù)CMx和CMy分別定義為

(2)

式中：Ai為i點(diǎn)代表的面積；yi和xi為i點(diǎn)的坐標(biāo)值。

2 光伏板風(fēng)荷載分布模型

由于目前各個(gè)區(qū)域的設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)光伏板表面的風(fēng)荷載分布形式仍存在較大的差異，本節(jié)討論光伏板表面的體型系數(shù)分布及其模型。該模型需要反映作用在光伏板上的整體風(fēng)荷載，同時(shí)也要兼顧光伏板表面風(fēng)荷載的分布規(guī)律。

2.1 光伏板體型系數(shù)分布規(guī)律

圖 2給出了傾角為β=30°光伏板在風(fēng)向角α=0°、α=180°、α=30°和α=150°的體型系數(shù)分布規(guī)律。當(dāng)α=0°時(shí)，從分布上來(lái)看，體型系數(shù)沿光伏板長(zhǎng)軸方向(順風(fēng)向)表現(xiàn)出明顯的梯度，光伏板頂端的體型系數(shù)為0.4左右，而底端(迎風(fēng)端)的體型系數(shù)達(dá)到1.8左右；當(dāng)α=180°時(shí)，光伏板底端的體型系數(shù)為-0.4，而頂端(迎風(fēng)端)的體型系數(shù)達(dá)到-2.2。對(duì)于控制風(fēng)荷載常發(fā)生的α=0°和α=180°風(fēng)向角，這種體型系數(shù)分布將會(huì)產(chǎn)生明顯的彎矩，因此均勻分布的風(fēng)荷載模型無(wú)法描述這類風(fēng)荷載。對(duì)于α=180°，體型系數(shù)沿著光伏板的短軸方向也存在一定變化，這種變化主要是由于氣流繞光伏板兩側(cè)及兩端的三維分離造成的。

當(dāng)光伏板處于斜風(fēng)向下時(shí)，以α=30°和α=150°為例，其風(fēng)壓分布仍表現(xiàn)出一定程度沿順風(fēng)向的梯度，這種梯度不僅形成繞光伏板短軸的彎矩，也產(chǎn)生了繞光伏板長(zhǎng)軸的彎矩。另外從分布形態(tài)上看，已有的均勻分布、兩區(qū)域均勻分布都無(wú)法描述各個(gè)風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布，但是對(duì)于傾角較大(α>20°)的光伏板而言，其最大整體體型系數(shù)發(fā)生在α=0°和α=180°風(fēng)向角下。在該風(fēng)向角下，風(fēng)壓分布的規(guī)律性明顯，因此從抗風(fēng)設(shè)計(jì)的角度看，采用簡(jiǎn)化的分布模型是可行的。

圖2 光伏板表面體型系數(shù)分布Fig.2 Shape coefficients distribution on solar panel

2.2 光伏支架的整體風(fēng)荷載

一般來(lái)說(shuō)，作用在光伏板上的風(fēng)荷載通過(guò)光伏板表面?zhèn)鬟f給光伏支架，其風(fēng)效應(yīng)主要體現(xiàn)為垂直于板面的z向力Fz, 繞光伏板短軸的彎矩Mx和繞光伏板長(zhǎng)軸的彎矩My(見(jiàn)圖 1)。此處采用整體體型系數(shù)μs描述垂直于板面的風(fēng)荷載，用彎矩系數(shù)CMx和CMy描述作用在光伏板上風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩。

圖 3給出了作用在不同傾角光伏板表面的不同風(fēng)向角下的整體風(fēng)荷載等值線圖。圖 3(a)的整體體型系數(shù)分布圖可以看出，正壓體型系數(shù)在α=0°左右取得最大值，傾角越大，正壓體型系數(shù)越大，在測(cè)試傾角范圍內(nèi)，其最大值達(dá)到1.3左右，這與我國(guó)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定是吻合的。與≥30°傾角的光伏板不同，傾角<30°的光伏板，其最強(qiáng)負(fù)壓體型系數(shù)并未發(fā)生在180°風(fēng)向角下，并且各個(gè)傾角光伏板隨著傾角的增大，其最強(qiáng)負(fù)壓體型系數(shù)并未單調(diào)增強(qiáng)，其最強(qiáng)值發(fā)生在45°傾角左右，整體體型系數(shù)達(dá)到-1.6左右，該值比我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的取值都要大。另外，從等值線的延伸規(guī)律來(lái)看，風(fēng)向角為90°時(shí)，體型系數(shù)并非為0。其主要的原因是由于實(shí)際光伏板或者試驗(yàn)光伏板有一定的厚度，并非理想平面，這種厚度的造成流體分離對(duì)光伏板表面風(fēng)荷載的影響，在風(fēng)向與光伏板傾斜方向平行工況附近很小(即最強(qiáng)體型系數(shù)對(duì)應(yīng)的工況)，同時(shí)對(duì)于較大的傾角的光伏板影響很小(即風(fēng)荷載比較大的工況)。

由于光伏板表面風(fēng)荷載分布不均勻形成了繞光伏板短軸(見(jiàn)圖 3(b))和長(zhǎng)軸的彎矩(見(jiàn)圖 3(c))，其彎矩系數(shù)分別為CMx和CMy。為方便辨認(rèn)彎矩系數(shù)較大區(qū)域，圖 3中用粗實(shí)線標(biāo)示出了彎矩系數(shù)為±0.05的等值線。繞短軸的彎矩在多數(shù)工況下是負(fù)值，說(shuō)明其在光伏板上施加了一個(gè)掀翻光伏板的彎矩，該彎矩最強(qiáng)值發(fā)生在傾角β=40°，風(fēng)向角α=180°時(shí)，其值達(dá)到-0.21。從分布上來(lái)看，繞短軸方向的彎矩最大值與整體體型系數(shù)的最大值發(fā)生工況一致。相比繞短軸的彎矩系數(shù)，饒長(zhǎng)軸的彎矩系數(shù)小一些，其最強(qiáng)彎矩系數(shù)約為±0.1，發(fā)生的風(fēng)向角α=45°和α=135°左右。從彎矩系數(shù)的分布上來(lái)看：繞短軸的彎矩系數(shù)CMx發(fā)生的工況與最強(qiáng)整體體型系數(shù)發(fā)生的工況接近且與相關(guān)文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)考慮工況接近；繞長(zhǎng)軸的較強(qiáng)彎矩均發(fā)生在斜風(fēng)向下，對(duì)應(yīng)的整體體型系數(shù)稍小。

通過(guò)對(duì)整體體型系數(shù)和彎矩系數(shù)的分析，由于不同風(fēng)向角下、不同傾角光伏板上風(fēng)壓分布的不均勻，作用在光伏板上的彎矩也隨之變化，這種彎矩對(duì)于光伏板支架的設(shè)計(jì)有重要意義，其會(huì)增加單柱支撐的偏心距或者多柱支撐的荷載分配。因此需要一種相對(duì)簡(jiǎn)單的可以考慮不同傾角和風(fēng)向角下彎矩影響的風(fēng)荷載取值模型。

(a) 整體體型系數(shù)μs

(b) 繞短軸的彎矩系數(shù)CMx

(c) 繞長(zhǎng)軸的彎矩系數(shù)CMy

2.3 考慮彎矩影響的風(fēng)荷載分布模型

《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用的均勻荷載分布模型無(wú)法反映作用在光伏板上的彎矩。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的兩區(qū)域取值可考慮繞短軸的彎矩，但無(wú)法考慮繞長(zhǎng)軸的彎矩，且該模型中體型系數(shù)在光伏板中間突變與實(shí)際分布差別很大。雖然九區(qū)域均勻分布模型從理論上可以考慮各個(gè)方向的彎矩，但是針對(duì)光伏支架設(shè)計(jì)而言，將其表面劃分為9個(gè)區(qū)域并分別取值非常麻煩。本節(jié)討論四角點(diǎn)平面分布風(fēng)荷載和偏心風(fēng)荷載兩種分布模型。

四角點(diǎn)平面分布風(fēng)荷載模型(見(jiàn)圖 4)假設(shè)作用在光伏板表面的風(fēng)壓為一平面分布，因此光伏板四個(gè)角點(diǎn)的體型系數(shù)分別為μA、μB、μC和μD應(yīng)滿足平面協(xié)調(diào)條件、Fz、My和Mx三個(gè)方向力的等效四個(gè)條件。

圖4 光伏板平面風(fēng)荷載分布模型示意圖Fig.4 Scheme of four-corner-distribution wind load model

式(3)為四個(gè)角點(diǎn)體型系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過(guò)求解該方程，可得到滿足整體風(fēng)荷載等效條件的四個(gè)角點(diǎn)的體型系數(shù)。

(3)

以傾角β=30°光伏板為例，求解式(3)得到的四角點(diǎn)體型系數(shù)與整體體型系數(shù)及彎矩系數(shù)的對(duì)比見(jiàn)圖 5。其中左側(cè)縱坐標(biāo)μ表示體型系數(shù)，右側(cè)縱坐標(biāo)CM表示彎矩系數(shù)。計(jì)算得到的四個(gè)角點(diǎn)的體型系數(shù)差別取決于彎矩的大小，當(dāng)α=180°時(shí)，繞長(zhǎng)軸方向的彎矩系數(shù)CMy接近于0，因此μA與μB值接近、μC和μD值接近。此時(shí)繞短軸方向的彎矩系數(shù)CMx達(dá)到-0.18，μA與μC取值差別很大。對(duì)比圖 6中四角點(diǎn)的體型系數(shù)取值與圖 5中實(shí)際測(cè)試得到的體型系數(shù)取值可知，計(jì)算得到的四角點(diǎn)體型系數(shù)雖然與測(cè)試得到的體型系數(shù)值不同，但是其反映的風(fēng)壓分布規(guī)律與測(cè)試結(jié)果是一致的。

對(duì)于整體體型系數(shù)最大的α=0°和α=180°兩個(gè)風(fēng)向角下，圖 6給出了四角點(diǎn)體型系數(shù)中，不同傾角光伏板迎風(fēng)端兩側(cè)體型系數(shù)及背風(fēng)端兩側(cè)體型系數(shù)的對(duì)比，其中圖例落在實(shí)線上，說(shuō)明橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)代表的體型系數(shù)值一致。如α=0°，迎風(fēng)端兩側(cè)的體型系數(shù)μC和μD值非常接近，同時(shí)背風(fēng)端兩側(cè)體型系數(shù)μA和μB值也相同。這說(shuō)明各個(gè)傾角的光伏板，其α=0°和α=180°的體型系數(shù)可以采用梯形分布，也說(shuō)明賀廣陵等提出的梯形分布是合理的。由于繞短軸的彎矩相比繞長(zhǎng)軸的彎矩更大，且其在較大傾角光伏板上與最強(qiáng)整體體型系數(shù)發(fā)生的工況一致。因此對(duì)于大部分光伏板設(shè)計(jì)，采用梯形分布模型不僅可以有效的描述光伏支架的風(fēng)荷載取值，也可以近似描述光伏板表面的體型系數(shù)分布。

圖5 四角點(diǎn)平面分布體型系數(shù)取值對(duì)比Fig.5 Comparison of shape coefficients on four corners

圖6 梯形風(fēng)壓分布的驗(yàn)證Fig.6 Validation of trapezoidal distribution model

另一種考慮彎矩的風(fēng)荷載分布模型是偏心風(fēng)荷載分布模型。即采用整體體型系數(shù)的方式考慮垂直于光伏板表面的荷載，采用偏心距考慮風(fēng)壓不均勻分布形成的彎矩。這種模型無(wú)法考慮光伏板表面的體型系數(shù)分布，可以用更直接的方式給出光伏支架的整體風(fēng)荷載。其長(zhǎng)短軸方向的偏心距分別定義為

(4)

圖 7為光伏板在α=0°和α=180°風(fēng)向角下的繞短軸的偏心距隨光伏板傾角變化的規(guī)律。從規(guī)律上來(lái)看，當(dāng)α=180°時(shí)，傾角越大的光伏板，其彎矩較大，偏心距卻較小，這說(shuō)明，隨著傾角的增大，整體體型系數(shù)的增加快于彎矩系數(shù)的增大。圖7中β=5°傾角的偏心距數(shù)據(jù)與其他傾角光伏板的差異較大，其主要是由于其整體體型系數(shù)較小，可能存在較大的計(jì)算誤差。當(dāng)α=0°時(shí)，繞短軸的偏心距隨傾角增大變化不大。

圖7 繞短軸偏心距隨傾角變化Fig.7 Variation of eccentric distance in length with the inclination

3 光伏板風(fēng)荷載取值建議

通過(guò)以上對(duì)光伏板風(fēng)荷載整體風(fēng)荷載及其分布模型的分析，針對(duì)光伏板抗風(fēng)設(shè)計(jì)的不同需求，其體型系數(shù)的取值可以采用均勻分布、梯形分布和偏心距模型三種分布模型。值得說(shuō)明的是，雖然在某些傾角的最強(qiáng)風(fēng)荷載并未發(fā)生在α=0°和α=180°風(fēng)向角下，考慮到使用的方便性，本節(jié)風(fēng)荷載取值建議中統(tǒng)一將該傾角下最強(qiáng)正壓風(fēng)荷載作為α=0°的風(fēng)荷載，將最強(qiáng)負(fù)壓風(fēng)荷載作為α=180°風(fēng)荷載，即表1～表3的風(fēng)荷載是該傾角光伏板的最不利值，但其并非一定發(fā)生在α=0°和α=180°風(fēng)向角下。

3.1 均勻分布風(fēng)荷載模型及其取值

對(duì)于不考慮風(fēng)荷載引起彎矩影響的情況下，均勻分布模型采用均勻分布的體型系數(shù)。這種取值模型簡(jiǎn)單，與目前我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的取值方法有很好的統(tǒng)一性，并在以上兩個(gè)規(guī)范的基礎(chǔ)上增加了傾角對(duì)光伏板體型系數(shù)的影響，解決了上述規(guī)范對(duì)小傾角光伏板體型系數(shù)取值偏于保守，對(duì)大傾角光伏板體型系數(shù)取值偏于危險(xiǎn)的問(wèn)題。其具體的取值見(jiàn)表 1。其中為了與現(xiàn)有規(guī)范統(tǒng)一，參數(shù)定義見(jiàn)表 1中的示意圖。

3.2 梯形分布風(fēng)荷載模型及其取值

梯形分布模型是本文提出的四角點(diǎn)平面分布風(fēng)荷載分布模型的簡(jiǎn)化形式。相比于均勻分布，梯形分布模型不僅考慮了繞短軸的彎矩影響，同時(shí)也給出了近似的風(fēng)荷載分布規(guī)律。雖然該模型無(wú)法考慮繞長(zhǎng)軸的彎矩影響，但是由于繞短軸的彎矩值大于繞長(zhǎng)軸的彎矩值，本文測(cè)試的繞短軸最大彎矩值Mx(發(fā)生在β=0°，α=180°)是繞長(zhǎng)軸最大彎矩值My(發(fā)生在β=20°，α=150°)的2.88倍。因此對(duì)于多數(shù)光伏板支架而言，這種考慮繞短軸彎矩影響的梯形分布滿足其體型系數(shù)取值要求。其具體取值見(jiàn)表 2。

表1 均勻分布風(fēng)荷載模型及其取值

表2 梯形分布風(fēng)荷載模型及其取值

3.3 風(fēng)荷載偏心距模型及其取值

雖然梯形分布模型可以滿足大部分光伏板的體型系數(shù)取值要求，考慮到光伏板支架形式的多樣性，部分支撐形式下繞長(zhǎng)軸的彎矩會(huì)有較大影響，因此本節(jié)給出風(fēng)荷載偏心距模型。該模型是對(duì)均勻分布模型的補(bǔ)充和深化。表 3給出了偏心距模型及其取值，由于實(shí)際測(cè)試中繞短軸和繞長(zhǎng)軸的彎矩發(fā)生在不同的風(fēng)向角下，因此光伏板風(fēng)荷載可按照單向偏心考慮，即表 3中的XC和YC不同時(shí)考慮。需要進(jìn)一步說(shuō)明的是：表 3中的偏心距并不針對(duì)某個(gè)具體的風(fēng)向角，該偏心距是根據(jù)最強(qiáng)整體體型系數(shù)與最大彎矩計(jì)算得到的，這種方法可以保證表 3中的荷載包含了結(jié)構(gòu)承受的最不利風(fēng)荷載，但是在繞長(zhǎng)軸的彎矩取值方面，由于實(shí)際最大彎矩對(duì)應(yīng)的整體體型系數(shù)與最強(qiáng)整體體型系數(shù)有一定的差異，因此該取值方法會(huì)比實(shí)際值保守。

表3 偏心距模型及其取值

4 結(jié) 論

通過(guò)剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，本文提出了四角點(diǎn)平面風(fēng)荷載分布模型和偏心距模型，并根據(jù)光伏板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了均勻分布模型、梯形分布模型和偏心距模型及其風(fēng)荷載取值。得到如下結(jié)論：

(1) 目前我國(guó)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中的體型系數(shù)取值，對(duì)于傾角<30°的光伏板體型系數(shù)取值偏于保守，對(duì)于傾角>30°的光伏板體型系數(shù)取值偏于危險(xiǎn)。光伏板的體型系數(shù)取值應(yīng)考慮光伏板傾角的影響。

(2) 由于光伏板表面的風(fēng)壓不均勻分布，作用在光伏板的風(fēng)荷載表現(xiàn)為垂直于光伏板面的壓力以及繞光伏板長(zhǎng)軸和短軸的彎矩，其彎矩取值隨風(fēng)向角和光伏板傾角變化，需要引起抗風(fēng)設(shè)計(jì)的注意。

(3) 根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求，光伏板表面的體型系數(shù)分布可采用均勻分布模型、梯形分布模型和偏心距分布模型。其中，梯形分布模型考慮了垂直板面的風(fēng)荷載及其引起的繞短軸方向的彎矩，并且給出了體型系數(shù)的近似分布形態(tài)，可以滿足大部分光伏板風(fēng)荷載的取值要求。對(duì)于諸如光伏板底部支撐布置嚴(yán)重對(duì)稱等特殊情況，需要考慮雙向彎矩時(shí)，可采用偏心距模型分別對(duì)兩個(gè)方向進(jìn)行計(jì)算。

本文提出的梯形分布和偏心距兩種考慮彎矩的取值模型需要通過(guò)不同支撐類型的光伏板設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，才能確定哪種模型更適合目前我國(guó)光伏板抗風(fēng)設(shè)計(jì)。另外本研究針對(duì)的是單個(gè)光伏板，多塊光伏板組成的光伏板組，需要進(jìn)一步研究確定其具體的風(fēng)荷載取值參數(shù)。

[ 1 ] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[ 2 ] 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50797—2012[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

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Tests for wind load distribution model of solar panels

MA Wenyong1，2, SUN Gaojian2, LIU Xiaobing1,2, XING Keyong3, LIU Qingkuan1,2

(1. The Key Laboratory for Health Monitoring and Control of Large Structures, Shijiazhuang 050043, China;2. Civil Engineering College, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;3. Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050043, China)

A primary reason for wind induced failure of a solar panel and its support structure is the imperfect method for its wind resistance design, especially, the wind load distribution model. Through a rigid model pressure test in a wind tunnel to obtain the distribution law of shape coefficients of the solar panel surface and the whole wind load on the solar panel, a four-corner-distribution model and an eccentric moment model considering effects of both inclination and wind induced moments were proposed. Three wind load models including uniform distribution model, trapezoidal distribution one and eccentric moment one were given in term of structural features of a solar panel. Deficiencies and improvement measures of wind load models used currently in the solar panel design were analyzed. Through comparing the three wind load models mensioned above, a guidance was provided for correctly choosing wind load in the anti-wind design of solar panels.

solar panel; wind tunnel test; shape coefficients; wind load model

河北省教育廳技術(shù)研究項(xiàng)目資助(YQ2014039)

2016-05-26 修改稿收到日期：2016-08-19

馬文勇 男，博士，副教授， 1981年生

劉小兵 男，博士，副教授， 1982年生

TU311.3; O351.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.07.002