摘 要：固定可調(diào)式光伏支架系統(tǒng)對風(fēng)荷載比較敏感，所受風(fēng)荷載是設(shè)計(jì)中的主要控制荷載。在風(fēng)力的作用下光伏板會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，甚至發(fā)生共振，造成光伏板折斷或跟蹤器損壞。基于此，本文對光伏面板上風(fēng)荷載的分布形式進(jìn)行了分析，并確定出最合理的風(fēng)荷載計(jì)算方式，再通過有限元模擬將風(fēng)荷載施加到光伏支架不同運(yùn)行角度（22°、58°）的模型上，分析風(fēng)荷載作用下光伏支架的風(fēng)振效應(yīng)，判斷光伏支架的穩(wěn)定性，并以此為依據(jù)指導(dǎo)實(shí)際施工。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；支架穩(wěn)定性；風(fēng)荷載；風(fēng)振響應(yīng)；穩(wěn)定性分析；有限元分析

中圖分類號：TM 615" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

光伏發(fā)電系統(tǒng)的大范圍推廣促進(jìn)了光伏設(shè)備的成熟與完善，但也有更多問題需要工程師的重視。在風(fēng)力的作用下，光伏支架的光伏板會(huì)發(fā)生振動(dòng)，甚至共振，造成光伏板折斷或跟蹤器損壞?；诖耍疚姆治隽藝鴥?nèi)、外風(fēng)荷載計(jì)算的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式，得出光伏板的風(fēng)載特性。再利用有限元軟件分析不同風(fēng)向角工況下光伏支架的位移變形情況、受力情況和抗傾覆穩(wěn)定性，并以此為依據(jù)指導(dǎo)光伏支架安裝施工。

1 光伏支架風(fēng)載響應(yīng)研究現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)荷載分布特性分析

太陽能光伏板風(fēng)荷載梯形分布是階梯形分布的細(xì)化，承認(rèn)了風(fēng)壓分布的不均勻性，即光伏板上的從風(fēng)壓上端到下端呈均勻過渡，更符合實(shí)際風(fēng)壓分布[]。風(fēng)荷載計(jì)算的理論研究是基于空氣動(dòng)力學(xué)原理構(gòu)建的數(shù)學(xué)方程，這種經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律總結(jié)出來的理論公式適用于簡單的流體分析，可以通過簡單計(jì)算得出結(jié)果?，F(xiàn)階段光伏支架風(fēng)荷載計(jì)算如下。

《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》指導(dǎo)光伏支架風(fēng)壓計(jì)算，如公式（1）所示。

wk=βzμs1μzw0 （1）

式中：βz為風(fēng)振系數(shù)；μs1為風(fēng)荷載體形系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定，光伏設(shè)備的風(fēng)荷載如公式（2）所示。

wk=βzμsμzw0 （2）

式中：βz為風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體形系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

日本設(shè)計(jì)規(guī)范《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工》假定風(fēng)壓均勻分布，可用于光伏設(shè)備的風(fēng)壓計(jì)算過程如公式（3）所示。

w=0.6CwV02ErGf IAw （3）

式中：Cw為風(fēng)力系數(shù)；Aw為受風(fēng)面積；V0為風(fēng)速；Er為風(fēng)速在高度上的分布；Gf為陣風(fēng)影響系數(shù)；I為用途系數(shù)。

1.2 風(fēng)荷載振動(dòng)響應(yīng)分析

理論上，根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)振發(fā)生形式，可將光伏支架風(fēng)振分為渦振、馳振、顫振和抖振4種類型[]。隨著作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載增大，結(jié)構(gòu)抗振總阻尼由正值變?yōu)樨?fù)值，結(jié)構(gòu)無法抵消風(fēng)荷載氣流反饋的能量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度逐漸加大，進(jìn)而導(dǎo)致光伏支架結(jié)構(gòu)風(fēng)毀[]。

現(xiàn)階段對光伏支架結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的研究主要采用理論分析方法、有限元模擬分析法和風(fēng)洞試驗(yàn)法[]。風(fēng)振響應(yīng)研究表明，當(dāng)試驗(yàn)風(fēng)速較高時(shí)，模型出現(xiàn)近似的等幅扭轉(zhuǎn)振動(dòng)且扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅隨風(fēng)速增加而增加。但當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)，振幅不會(huì)發(fā)散，與有明顯突發(fā)顫振臨界點(diǎn)的“硬振”相對而言，該振動(dòng)狀態(tài)被稱為“軟振”。

2 光伏支架穩(wěn)定性模擬分析

2.1 光伏支架表面風(fēng)載分布

光伏支架受風(fēng)荷載影響面主要集中于光伏發(fā)電面板，光伏板的流場大致可分為氣流未與光伏板接觸前的位移區(qū)[]、氣流流過光伏板兩側(cè)時(shí)產(chǎn)生的分離區(qū)、氣流在光伏板背面形成漩渦的空腔區(qū)以及氣流流過空腔區(qū)后由能量損失形成的尾流區(qū)。當(dāng)光伏板處于不同工況下的高度角時(shí)，光伏板的受風(fēng)面積不同，光伏板周圍的流速也不同，從而使光伏板承受的風(fēng)荷載不同。風(fēng)作用于60°高度角模型時(shí)，迎風(fēng)面下部受壓力較大且向邊緣處逐級遞減；風(fēng)作用于120°高度角模型時(shí)，模型迎風(fēng)面上部受壓力較大且沿著光伏板短軸依次減弱，并呈對稱分布。通過分析可得不同風(fēng)向角和高度角下的平均風(fēng)壓系數(shù)，如圖1所示。從圖1可以看出，在0°和180°的正負(fù)風(fēng)向角下，光伏板體形系數(shù)絕對值隨高度角增加不斷增大，但并非呈線性變化。因此計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載時(shí)，需要注意光伏板傾角的變化。當(dāng)高度角變化范圍處于10°～45°時(shí)，風(fēng)壓體形系數(shù)大致呈線性變化，風(fēng)荷載計(jì)算可根據(jù)公式（1）取值計(jì)算。

2.2 基于梯形分布的風(fēng)載計(jì)算

由于使用不同風(fēng)荷載分布模型計(jì)算出的風(fēng)荷載取值存在差異，根據(jù)前文分析可知，光伏板上端與下端風(fēng)荷載不同，上端與下端之間過渡均勻，大致呈梯形分布[]。基于此，本文將梯形荷載分布分解為作用于光伏支架上光伏面板表面的矩形荷載W1和三角形荷載W2，作用于光伏支架上面板的梯形分布風(fēng)荷載如公式（4）、公式（5）所示。

wk1=CwqAw （4）

wk2=βzμsμzw0 （5）

2.3 光伏支架受荷模態(tài)分析

利用Midas有限元模擬軟件對一組連續(xù)安裝的光伏支架和面板進(jìn)行模擬分析，主要分析在不同風(fēng)荷載作用下，光伏支架的位移變形和抗傾覆穩(wěn)定性。光伏支架使用材料為Q235鋼材，其密度ρ為7850kg/m3，彈性模量E為206GPa，泊松比μ為0.3。支架采用梁單元，共計(jì)98個(gè)支架部件單元。光伏發(fā)電面板材料彈性模量E為72GPa，泊松比μ為0.2，密度ρ為2500kg/m3，光伏面板采用板單元，共計(jì)60個(gè)板單元。光伏支架簡化受力模型如圖2所示。

由于光伏支架在不同時(shí)期的運(yùn)行角度不同，支架結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布也隨之發(fā)生變化，因此風(fēng)荷載作用下的受力特性存在差異?；诖?，本文的模態(tài)分析將光伏支架運(yùn)營期間的控制角度58°和22°作為研究對象，來探究光伏支架在風(fēng)荷載作用下的受力特性。模態(tài)振型也呈現(xiàn)出對稱分布規(guī)律，主要是由支架結(jié)構(gòu)的對稱性導(dǎo)致的，分別如圖3、圖4所示。在不同控制角度下，光伏支架振型較相似，其中第一階模態(tài)為整體沿Y軸位移，第二階模態(tài)為沿X軸位移并繞Y軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，第三、四階模態(tài)均呈現(xiàn)出不同程度的扭轉(zhuǎn)趨勢，第四階模態(tài)中光伏支架局部變形增大。

3 光伏支架風(fēng)振效應(yīng)分析

3.1 風(fēng)振系數(shù)分析

光伏支架風(fēng)振系數(shù)為支架結(jié)構(gòu)最大位移與平均位移的比值，可用來反應(yīng)支架結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)、振幅等情況，如公式（6）所示。

（6）

式中：β為風(fēng)振系數(shù)；U1為位移極值；U2為平均位移值。

分別選取控制角度為22°、58°分析模型上的12個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行分析，得出如圖5所示的風(fēng)振系數(shù)變化規(guī)律，即當(dāng)角度為22°時(shí)，樣本點(diǎn)位處風(fēng)振系數(shù)為1.76～2.19；當(dāng)角度為58°時(shí)，樣本點(diǎn)位處風(fēng)振系數(shù)為2.34～2.83?？臻g相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致光伏支架兩端發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使光伏支架兩端位移均值U1增大，最終造成光伏支架兩端的位移風(fēng)振系數(shù)大于中部。并且隨著控制角度增大，風(fēng)振系數(shù)同時(shí)增大。由此可得，隨著光伏支架運(yùn)營使用期間控制角度增加，位移風(fēng)振系數(shù)逐漸增大，但總體變化不明顯。由此可知，在實(shí)際施工中應(yīng)采取措施，使光伏支架受風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振系數(shù)保持在采樣點(diǎn)4～8的狀態(tài)，即在22°運(yùn)行角度下，支架風(fēng)振系數(shù)為1.9左右；在58°運(yùn)行角度下，支架風(fēng)振系數(shù)為2.4左右。

3.2 風(fēng)振響應(yīng)分析

作為主要迎風(fēng)面，光伏發(fā)電面板主要承受風(fēng)荷載作用，再通過光伏面板下方檁條將荷載分量傳遞給主梁、立柱。光伏支架受風(fēng)荷載作用發(fā)生位移的表現(xiàn)形式有2種，一是風(fēng)荷載使立柱產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致與立柱相連接的主梁產(chǎn)生牽引位移，二是光伏支架部件發(fā)生的局部位移變形。當(dāng)風(fēng)荷載加載到不同運(yùn)行角度的光伏發(fā)電面板上時(shí)，檁條上向下的力會(huì)使繞主梁軸線旋轉(zhuǎn)的趨勢有所相同。選取光伏支架2種不同運(yùn)行角度，即22°、58°的工況進(jìn)行分析，得出光伏支架各節(jié)點(diǎn)（1#～4#為檁條節(jié)點(diǎn)、5#～8#主梁節(jié)點(diǎn)和9～14#為立柱節(jié)點(diǎn)）位移變化曲線，如圖6所示。在2種運(yùn)行角度下，光伏支架整體的位移變化規(guī)律一致，均存在檁條和主梁上發(fā)生的位移量遠(yuǎn)大于立柱的情況，并且檁條和主梁上各位置位移差異較大，立柱上位移分布較均勻。當(dāng)運(yùn)行角度為22°時(shí)，檁條最大位移量為37.2mm，主梁最大位移為35.1mm，立柱位移為4mm～5mm。當(dāng)運(yùn)行角度為58°時(shí)，檁條最大位移量為58.9mm，主梁最大位移為55.5mm，立柱位移為7mm～10mm。原因是檁條和主梁構(gòu)件形式使其韌性較強(qiáng)，吸收的振動(dòng)能量較大，因此檁條和主梁構(gòu)件自身變形也較大。

4 結(jié)論

本文模擬分析了光伏支架在風(fēng)荷載作用下的效應(yīng)，并結(jié)合實(shí)際工程中光伏支架的具體施工措施，得到以下結(jié)論。1）

在22°、58°這2種不同運(yùn)行角度下，光伏支架兩端風(fēng)振系數(shù)高于中部，端部風(fēng)振系數(shù)增幅分別為12.3%、10.7%。為提高光伏支架整體穩(wěn)定性，在實(shí)際施工中應(yīng)對一組光伏支架兩端進(jìn)行二次加固穩(wěn)定，降低位移均值，使22°運(yùn)行角度下的支架風(fēng)振系數(shù)為1.8左右，58°運(yùn)行角度下的支架風(fēng)振系數(shù)為2.4左右。2）光伏支架主要受荷面為光伏發(fā)電面板。受風(fēng)荷載影響時(shí)，光伏支架會(huì)在Y-Z平面發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾向和位移。當(dāng)控制角度增大時(shí)，面板受荷載面積增大，發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾向和位移的趨勢也同時(shí)增大。因此在實(shí)際施工過程中，應(yīng)順迎風(fēng)面對光伏支架主梁進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)加固，并對光伏面板與主梁連接部位進(jìn)行二次加固。

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