馬文勇， 柴曉兵， 趙懷宇， 馬成成

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043； 2.河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050043)

太陽能是分布式能源重要組成部分，光伏發(fā)電是開發(fā)利用太陽能資源最有效形式之一。為了適應(yīng)污水處理廠、漁塘等區(qū)域光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，柔性光伏支架廣泛應(yīng)用。柔性支架是由柔性索(鋼絲繩或鋼絞線)、鋼立柱、鋼梁和斜拉索或鋼斜柱組成的支撐體系，光伏組件由連接件固定在柔性索上，其跨度大、柔性大、質(zhì)量輕等特點決定了風(fēng)荷載是其主要荷載。目前，國內(nèi)外對光伏風(fēng)荷載研究主要集中在傳統(tǒng)固定光伏支架上，對柔性光伏支架風(fēng)荷載的研究涉及較少，小傾角柔性支撐光伏組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律和風(fēng)荷載分布模型仍不完善，另外，柔性光伏支架支撐索風(fēng)荷載分配對支架抗風(fēng)設(shè)計具有重要影響。

我國《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》(GB 50797—2012)[1]和《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(NB/T 10115—2018)[2]風(fēng)荷載體型系數(shù)取值均采用均勻分布模型，也就是垂直于光伏組件風(fēng)荷載體型系數(shù)值沿底部到頂部保持一致，且對于傾角小于15°光伏組件，體型系數(shù)均按15°取值。日本《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與施工》[3]風(fēng)壓系數(shù)也采用均勻分布模型取值，并給出了風(fēng)壓系數(shù)和傾角的關(guān)系。這兩種取值方式無法反映風(fēng)荷載在光伏組件表面的不均勻分布[4]。歐洲規(guī)范[5]參考開敞單坡頂蓋風(fēng)荷載采用九區(qū)域分布模型，進(jìn)行工程設(shè)計時，取值比較麻煩。另外，我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[6]給出的單坡屋蓋風(fēng)荷載體型系數(shù)值迎風(fēng)端和背風(fēng)端不同，這與美國土木工程學(xué)會(ASCE)[7]規(guī)定的開口屋蓋風(fēng)荷載體型系數(shù)類似，在進(jìn)行光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計時也可參考。

目前國內(nèi)外對光伏支架風(fēng)荷載研究主要集中在組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律，對風(fēng)荷載分布模型研究相對缺乏。李壽科等[8-9]通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗獲得單坡光伏車棚和雙坡光伏車棚表面風(fēng)荷載分布規(guī)律，并給出風(fēng)荷載取值建議。Kopp等[9-11]通過風(fēng)洞試驗對屋面光伏表面風(fēng)荷載分布規(guī)律進(jìn)行研究。龔敏等[12]通過剛性模型風(fēng)洞試驗發(fā)現(xiàn)作用在光伏組件上的風(fēng)荷載具有漸變性，且從光伏組件底部到頂部大致呈均勻過度。Sorensen[13]認(rèn)為作用于光伏方陣上的風(fēng)壓呈三角形分布。賀廣零等[14]基于光伏組件表面風(fēng)荷載分布不均的特點提出風(fēng)壓大致呈梯形分布。馬文勇等[15]通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗研究傳統(tǒng)固定支撐光伏組件表面風(fēng)壓分布和支架整體風(fēng)荷載，提出考慮彎矩影響的四角點平面分布風(fēng)荷載模型和偏心風(fēng)荷載分布模型，并研究了阻塞度對組件風(fēng)壓分布的影響。

不同于傳統(tǒng)固定支撐光伏組件，柔性支撐光伏組件傾角一般較小，且僅由兩個柔性索支撐，其表面風(fēng)壓分布以及上、下支撐索風(fēng)荷載分配系數(shù)仍不明確。本文通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗獲得柔性支撐光伏組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律，提出柔性支撐光伏組件偏心風(fēng)荷載分布模型，考慮整體力和彎矩之間的關(guān)系，并基于該模型計算上、下支撐索風(fēng)荷載分配系數(shù)，為柔性太陽能光伏支架抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗介紹

此試驗為剛性模型測壓風(fēng)洞試驗。試驗在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)洞實驗室[16]低速試驗段進(jìn)行，低速試驗段尺寸為4.4 m寬、3 m高、24 m長。低速試驗段最大風(fēng)速為30 m/s，背景湍流度I≤0.4%。

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

圖1為風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ图皡?shù)定義。按照1∶4進(jìn)行縮尺，縮尺后單塊光伏組件的尺寸為248 mm長、410 mm寬、12 mm厚。光伏組件由ABS板制成，單塊組件共布置60個測點，上下表面各30個，位置一一對應(yīng)。最大阻塞度(傾角20°)為1.32%。

圖1 試驗?zāi)Ｐ图皡?shù)定義

1.2 試驗概況

試驗采用均勻流場，來流風(fēng)速為9 m/s。壓力掃描閥采樣頻率為330 Hz，采樣時間為30 s。5塊光伏組件并聯(lián)稱之為單排，圖1(a)中1～5表示5個位置，中間位置指的是位置3。間距比S/L為0.08。風(fēng)向角α為0°～180°，15°間隔。傾角β為0°～20°，5°間隔。

1.3 參數(shù)定義

定義單塊光伏組件風(fēng)壓系數(shù)：

(1)

(2)

定義單排光伏組件風(fēng)壓系數(shù)：

(3)

式中：Cpi(t)為i測點風(fēng)壓系數(shù)；Pui(t)和Pdi(t)為i測點上表面和下表面風(fēng)壓；Cp為光伏組件風(fēng)壓系數(shù)，即體型系數(shù)；Ai為i測點代表的面積。

定義彎矩系數(shù)：

(4)

(5)

式中：CMx和CMy分別為繞x軸和繞y軸的彎矩系數(shù)；xi和yi分別為i測點的坐標(biāo)。

2 光伏組件風(fēng)荷載分布規(guī)律

目前《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》和《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》對光伏組件風(fēng)荷載體型系數(shù)均采用均勻分布模型取值，未考慮彎矩的影響。本節(jié)基于柔性支撐光伏組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律，提出考慮整體力和彎矩關(guān)系的偏心距風(fēng)荷載分布模型。

2.1 組件風(fēng)荷載隨風(fēng)向角變化規(guī)律

滿足支架和組件安全必須考慮風(fēng)向角對組件風(fēng)荷載的影響，圖2給出了單排光伏組件風(fēng)荷載體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線，體型系數(shù)為正表示光伏組件上表面受風(fēng)壓力作用，體型系數(shù)為負(fù)表示光伏組件上表面受風(fēng)吸力作用。可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)壓力極大值通常發(fā)生在0°和30°風(fēng)向角附近，風(fēng)吸力極大值通常發(fā)生在150°和180°風(fēng)向角附近。風(fēng)荷載極大值可能發(fā)生在不同風(fēng)向角的規(guī)律與江繼波等[17]應(yīng)同時考慮0°、30°、45°、135°、150°和180°風(fēng)向角下組件的風(fēng)荷載規(guī)律一致。因此，迎風(fēng)面積大小并不是決定光伏組件風(fēng)荷載大小的唯一因素。不同傾角光伏組件風(fēng)荷載隨風(fēng)向角變化規(guī)律類似，以傾角10°單排光伏組件為例，圖3給出了不同位置光伏組件風(fēng)荷載體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線，可以看出，風(fēng)荷載最大值對應(yīng)的風(fēng)向角與整體分析類似，因此，在進(jìn)行柔性太陽能光伏支架設(shè)計時，建議綜合考慮150°和180°兩個風(fēng)向角，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的最不利荷載。

不同傾角光伏組件風(fēng)荷載隨安裝位置變化規(guī)律類似，以傾角10°為例，圖4給出了光伏組件風(fēng)荷載體型系數(shù)隨安裝位置的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，中間區(qū)域(位置2、3、4)光伏組件風(fēng)荷載較大。氣流流經(jīng)單排光伏組件時，中間區(qū)域光伏組件兩側(cè)繞流受限，加速頂部和底部繞流，加速繞流使更多氣流由尾流夾卷進(jìn)入剪切層，使剪切層的曲率半徑減小，降低背風(fēng)面壓力，從而導(dǎo)致中間區(qū)域光伏組件風(fēng)荷載大于兩側(cè)組件，文獻(xiàn)[15]也提到光伏組件中央?yún)^(qū)域所受風(fēng)荷載強(qiáng)于邊緣。圖5給出了不同傾角中間位置(位置3)光伏組件體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線，可以看出，風(fēng)荷載極大值風(fēng)向角與圖2和圖3分析一致，因此，下文主要圍繞這四個不利風(fēng)向角展開分析。

圖2 單排光伏組件體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化

圖3 不同位置光伏組件體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化(β=10°)

圖4 光伏組件體型系數(shù)隨安裝位置變化(β=10°)

圖5 中間位置(位置3)光伏組件體型系數(shù)隨風(fēng)向角變化

2.2 組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律

在進(jìn)行光伏支架抗風(fēng)設(shè)計時，應(yīng)注意光伏組件表面風(fēng)壓分布不均導(dǎo)致彎矩對結(jié)構(gòu)的不利影響[17]，《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》和《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》風(fēng)荷載體型系數(shù)取值均采用均勻分布，該分布無法反應(yīng)彎矩的影響。此外，《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》然采用均勻分布，但此規(guī)范考慮到組件表面風(fēng)壓分布不均的特點，也給出梯形分布風(fēng)荷載體型系數(shù)參考值建議。圖6(a)～(d)給出了傾角10°中間位置光伏組件在風(fēng)向角分別為0°、180°、30°和150°時表面風(fēng)荷載體型系數(shù)分布等值線圖，可以看出，光伏組件表面風(fēng)荷載并不是均勻分布，在0°和180°風(fēng)向角下風(fēng)荷載分布規(guī)律沿風(fēng)向(y軸)表現(xiàn)明顯的梯度，具有漸變性；在30°和150°風(fēng)向角下風(fēng)荷載分布規(guī)律沿風(fēng)向同樣表現(xiàn)出明顯的梯度，此規(guī)律與光伏組件表面風(fēng)壓分布具有漸變性規(guī)律一致。另外，氣流在組件角部“分離”與“再附”，造成角部漩渦比較復(fù)雜，但并不影響風(fēng)荷載在組件表面漸變性的分布規(guī)律，并且，從等值線圖可以發(fā)現(xiàn)，光伏組件迎風(fēng)端所受風(fēng)荷載大于背風(fēng)端，文獻(xiàn)[12]同樣提到光伏組件頂部與底部風(fēng)壓大小不一致，風(fēng)荷載作用在光伏組件表面會產(chǎn)生繞x軸和繞y軸的彎矩，在進(jìn)行設(shè)計時需要考慮彎矩對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。由于組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律明顯，因此采用簡化的風(fēng)荷載分布模型表示組件表面風(fēng)荷載是可行的。

圖6 光伏組件表面體型系數(shù)分布(β=10°)

2.3 偏心風(fēng)荷載分布

由于光伏組件表面風(fēng)荷載分布不均，風(fēng)荷載作用在光伏組件上的作用點偏離組件幾何中心[18]，可將風(fēng)荷載等效為一組力和彎矩。風(fēng)荷載通過光伏組件傳遞給上、下支撐索，作用在光伏組件風(fēng)荷載FZ用體型系數(shù)Cp來表示，繞x軸彎矩Mx和繞y軸彎矩My分別用彎矩系數(shù)CMx和CMy來表示。x，y兩方向偏心距定義為：

(6)

(7)

式中：XC和YC分別表示沿x和y方向偏離光伏組件中心O的距離。

彎矩直接影響上、下支撐索的受力和風(fēng)荷載分配，圖7和圖8給出了不同傾角單排光伏組件和中間位置光伏組件兩方向偏心距對比，可以看出，y方向的偏心距明顯大于x方向，并且0°和180°風(fēng)向角下x方向的偏心距基本接近于0，說明在0°和180°風(fēng)向角下只存在繞x軸的彎矩(比較敏感)，而繞y軸的彎矩幾乎可以忽略，柔性光伏支架自身結(jié)構(gòu)特性(長寬比較大)是造成繞x軸彎矩敏感性的主要原因。

圖7 單排光伏組件兩方向偏心距對比

圖8 中間位置光伏組件兩方向偏心距對比

3 風(fēng)荷載體型系數(shù)和上、下支撐索分配系數(shù)取值建議

針對傳統(tǒng)固定支撐單塊光伏組件，馬文勇等提出了偏心風(fēng)荷載模型，該分布模型同樣適用柔性支撐光伏組件，圖9給出了柔性支撐光伏組件偏心距風(fēng)荷載分布模型示意圖，分析不同風(fēng)向角下x和y兩方向的偏心距，表1給出了風(fēng)荷載體型系數(shù)和偏心距取值建議，偏心距是基于最大體型系數(shù)以及最大彎矩計算所得，值得說明的是0°和180°風(fēng)向角并不特指某一個風(fēng)向角，是對所有風(fēng)向角進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果。

表1 風(fēng)荷載體型系數(shù)及偏心距取值建議

圖9 偏心距風(fēng)荷載分布模型

光伏組件通過連接件固定在上、下支撐索上，結(jié)構(gòu)簡單，因此基于偏心風(fēng)荷載分布模型可以得到風(fēng)荷載分配到支撐索上的力系數(shù)。由于y方向的偏心距大于x方向，且在0°和180°風(fēng)向角下x方向的偏心距基本為0，因此，為了方便結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對柔性太陽能光伏支架，僅考慮繞x軸的彎矩影響，得出力學(xué)關(guān)系如圖10所示，從而獲得分配到上、下支撐索的力。值得注意的是，其主要適用于柔性光伏支架(光伏組件由上、下索支撐，且傾角較小)，對于支撐形式比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步驗證其適用性。

圖10 力學(xué)關(guān)系示意圖

基于剛性模型測壓風(fēng)洞試驗結(jié)果，考慮整體風(fēng)荷載和彎矩之間的關(guān)系，給出上、下支撐索計算公式：

F1+F2=FZ

(8)

(9)

表2給出了上、下支撐索風(fēng)荷載分配系數(shù)取值建議，表中分配系數(shù)是依據(jù)上索距光伏組件頂部邊緣B/5(下索距光伏組件底部邊緣B/5)計算得到的，這主要是考慮到目前柔性光伏支撐索距光伏組件邊緣距離一般在B/5以內(nèi)以保證整體結(jié)構(gòu)有較好的穩(wěn)定性。當(dāng)索距離光伏組件邊緣更近時，表2給出的分配系數(shù)是偏于保守的。

表2 上、下支撐索風(fēng)荷載分配系數(shù)取值建議

4 結(jié) 論

通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗獲得柔性支撐光伏組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律，基于偏心風(fēng)荷載分布模型計算上、下支撐索的風(fēng)荷載分配系數(shù)。結(jié)論如下：

(1)柔性支撐光伏組件風(fēng)壓力極大值發(fā)生在0°或30°風(fēng)向角附近，風(fēng)吸力極大值發(fā)生在150°或180°風(fēng)向角附近，因此，建議綜合考慮150°和180°兩個風(fēng)向角，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計最不利荷載，且要考慮中間區(qū)域光伏組件風(fēng)荷載較大的現(xiàn)象。

(2)柔性支撐光伏組件表面風(fēng)荷載沿風(fēng)向表現(xiàn)明顯的梯度，具有漸變性，且光伏組件迎風(fēng)端所受風(fēng)荷載大于背風(fēng)端，在進(jìn)行柔性光伏支架抗風(fēng)設(shè)計時，需要考慮偏心對結(jié)構(gòu)的不利影響。

(3)小傾角柔性支撐光伏組件風(fēng)荷載體型系數(shù)取值可以采用偏心距風(fēng)荷載分布模型，基于偏心距風(fēng)荷載分布模型獲得上、下支撐索上分配的力，建議將柔性索固定在距離光伏組件邊緣1/5長度范圍內(nèi)，采用本文考慮偏心距提出的風(fēng)荷載分配系數(shù)分配上、下索力。