为充分利用土地,促进清洁能源的推广,中国政府大力提倡“渔光互补”和“农光互补”的太阳能光伏分布形式,柔性支撑太阳能光伏作为分布式能源的重要组成部分,逐渐在污水处理厂、山地、渔塘等区域得到大面积应用。
柔性支撑光伏组件风荷载影响因素
柔性支架是由柔性索(钢丝绳或钢绞线)、钢立柱、钢梁和斜拉索或钢斜柱组成的支撑体系,其跨度大、柔性大和质量轻的特点决定了风荷载是支架设计的主要荷载。
目前国内外对于太阳能光伏风荷载的研究主要集中在传统固定支架上,对于柔性支撑光伏组件风荷载的研究非常少,小倾角光伏组件风荷载分布规律和计算公式仍不完善。
柔性支撑光伏组件风荷载影响因素
目前关于光伏组件风荷载的研究主要包含光伏组件表面的风压分布规律,各种安装参数对风荷载的影响规律以及阵列、屋顶和其他应用场景下光伏组件风荷载取值规律。
光伏组件也常有其他应用场景,如单坡和双坡光伏车棚,其风荷载与应用的结构类型有关。另外,建筑尺寸、安装间距等对光伏组件的风荷载也有较明显的影响,需要在抗风设计中予以重视。
不同于地面固定光伏支架倾角较大,柔性光伏支架受结构体系的限制,其倾角一般较小;光伏组件之间留有一定的缝隙,存在三维流动效应。
因此,各影响因素对柔性支撑光伏组件风荷载的影响规律仍不明确。
针对柔性支撑光伏组件的以上特点,本文采用刚性模型测压风洞试验,研究柔性支撑光伏组件风荷载分布规律,分析各因素(风向角、倾角、间距比和安装位置)对光伏组件风荷载的影响,进而完善基于各参数的光伏组件风荷载计算公式,为柔性光伏支架抗风结构设计提供依据。
风洞试验介绍
试验在石家庄铁道大学风洞实验室低速试验段进行,低速试验段长24m,宽4.4m,高3m。低速试验段最大风速为30m/s,背景湍流度I≤0.4%。考虑到光伏组件本身是刚性的,本文仅研究其体型系数,因此试验为刚性模型测压风洞试验。
试验结果
风向角对组件风荷载的影响
为满足柔性支架和光伏组件的安全,必须考虑风向角对组件风荷载的影响。图1、图2分别为单块和单排(S/L=0)光伏组件整体体型系数随风向角的变化。
柔性支撑光伏组件风荷载影响因素
图1 单块光伏组件体型系数随风向角的变化

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

图2 单排光伏组件体型系数随风向角的变化
体型系数为正表示上表面受风压力作用,为负表示上表面受风吸力作用。风压力极大值发生在风向角α=0°或α=30°附近,风吸力极大值发生在风向角α=150°或α=180°附近。
综合图1和图2可以发现,单块和单排(S/L=0)光伏组件整体风吸力大于整体风压力,即同等迎风面积下,光伏组件下表面迎风所受风荷载大于光伏组件上表面迎风所受风荷载。
在风向角α为150°~180°之间,风荷载体型系数随着风向角变化趋势而减小,风吸力极大值风向角发生在α=150°或α=180°附近,因此在进行结构设计时要特别注意150°风向角下的风荷载,建议综合考虑150°和180°这2个风向角,作为结构设计的最不利荷载。
倾角对组件风荷载的影响
柔性支撑光伏组件倾角较小,通常约为10°。倾角变化改变了光伏组件的迎风面积,图3和图4分别为单块和单排光伏组件整体体型系数随倾角的变化。
由图3可看出,光伏组件风荷载随着倾角的增大而增加,在较小的倾角范围(0°~20°)内,单块光伏组件风荷载体型系数随着倾角增大呈线性增长;单排光伏组件整体体型系数随着倾角增大速率先快(β≤10°)后慢(β≥10°),尤其是在180°风向角最为明显,但基本上也呈线性增长,因此光伏组件风荷载对倾角变化比较敏感。

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图3块光伏组件体型系数随倾角的变化

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

图4单排光伏组件体型系数随倾角的变化
《光伏发电站设计规范》(GB50797—2012)规定地面和楼顶支架风荷载体型系数值取1.3。
最新《光伏支架结构设计规程》(NB/T10115—2018)风荷载体型系数值与试验值对比见表1。
《光伏支架结构设计规程》对于倾角小于15°的光伏组件,风荷载体型系数均按15°取值,从表1可看出《光伏支架结构设计规程》风荷载体型系数取值偏于保守。

表1风荷载体型系数对比

风向角/ (°)
体型
倾角(单块)
倾角(单排)
系数
≤15°
20°
≤15°
20°
0
试验值
0.44
0.65
0.70
0.77
规范值
0.80
0.85
0.80
0.85
180
试验值
-0.47
-0.67
-0.70
-0.75
规范值
-0.95
-1.00
-0.95
-1.00

间距比对组件风荷载的影响

为分析不利风向角工况下间距比对组件风荷载的影响,图5给出了α=0°、α=150°和α=180°风向角下整体体型系数随间距比的变化,可看出不同倾角光伏组件风荷载体型系数随间距比的变化规律不一致。

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图6体型系数随间距比的变化
当α=0°、β≤10°时,风荷载体型系数绝对值随着间距比的增大而逐渐减小,说明风压随着间距比的增大而减弱;β=15°时,风荷载体型系数随着间距比的增大变化不明显;β=20°时,风荷载体型系数随着间距比的增大而逐渐增大。
当α=150°、β≤15°时,风荷载体型系数随着间距比的变化不明显;β=20°时,风荷载体型系数绝对值随着间距比的增大呈先减小后增大的趋势;可见在风向角α=150°时,对于小倾角柔性支撑光伏组件间距比变化对结构风荷载几乎没有影响。
当α=180°、β≤10°时,风荷载体型系数绝对值随着间距比的增大均有减小趋势;β≥15°时,风荷载体型系数绝对值随着间距比的增大而逐渐增大。
对比α=0°和α=180°风向角下体型系数随间距比的变化规律可发现,间距比对0°和180°风向角下结构的风荷载有一定影响,并且不同倾角的光伏组件间距比对其风荷载影响规律不一致。
图6为0°风向角下倾角0°~20°不同位置光伏组件风荷载体型系数随间距比的变化。
由图6可看出,表现规律与整体分析相似,当β≤15°时,光伏组件风荷载体型系数随着间距比的增大呈减小趋势;当β=20°时,光伏组件风荷载体型系数随着间距比的增大呈增大趋势。

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

图6体型系数随间距比的变化
图7和图8分别为不同风向角下倾角5°和20°光伏组件迎风面、背风面和整体体型系数随间距比的变化。
当β=5°时,迎风面风吸力随着间距比的增大呈增大趋势,背风面风吸力随着间距比的增大呈减小趋势,随着间距比的增大整体风荷载表现为在0°和180°风向角下风压力和风吸力的减小。
当β=20°时,迎风面风荷载随着间距比的增大变化不明显,背风面的风吸力随着间距比的增大而逐渐增大,随着间距比的增大整体风荷载表现为在0°和180°风向角下风压力和风吸力的增大。
对比迎风面和背风面风荷载随间距比的变化趋势可发现,背风面对间距比变化的敏感程度大于迎风面。
当间距比不存在时,气流主要通过光伏组件顶部和底部绕流,随着间距比的逐渐增大,光伏组件不但存在顶部和底部绕流还存在两侧绕流,这种强烈的三维绕流效应是影响风荷载对间距比敏感性的主要原因。

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图7 体型系数随间距比的变化(β=5°)

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

图8 体型系数随间距比的变化(β=20°)
α=180°是柔性支撑光伏组件风吸力极大值风向角,且《光伏支架结构设计规程》(NB/T10115—2018)中给出了      180°风向角下的体型系数,比较典型,因此以不利工况α=180°为例,分析间距比变化对风压分布的影响,图9和图10分别为倾角5°和20°时不同间距比下的风压分布。
为方便观察风荷载体型系数随间距比的变化规律,图9中用粗实线标出了-0.5的等值线,可看出,随着间距比的增大,该等值线逐渐向光伏组件顶部(来流上游方向)移动,顶部和底部的负压随着间距比的增大而减弱。

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

图9不同间距比下风压分布(β=5°)
当气流与光伏组件倾斜方向夹角较小时,来流与组件接近平行,此时流体更容易从光伏组件顶部和底部绕过,三维绕流效应较弱,从而导致风荷载体型系数随着间距比的增大而有所减小。
图10中用粗实线标出了-0.8的等值线,可看出,随着间距比的增大,该等值线逐渐向光伏组件底部(来流下游方向)移动,顶部和底部的负压随着间距比的增大而增强。当气流与光伏组件倾斜方向夹角较大时,流体从顶部、底部和两侧绕过,三维绕流效应较强,分离流速度更大,从而导致背风面风压力减小(风吸力增加),而间距比变化并未改变迎风面风压力,因此,随着间距比的增大风吸力逐渐增强。

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

图10不同间距比下风压分布(β=20°)
间距比对光伏组件风荷载的影响主要通过改变背风面气流流动实现的,这种影响跟组件倾角有很大关系,文献指出光伏组件风荷载主要由绕流运动引起,间距一定时倾角越大,三维绕流效应越强,背面对风荷载敏感程度越强。
安装位置对组件风荷载的影响
柔性支撑光伏组件最不利风荷载通常发生在α=150°或α=180°附近,图11为不同间距比下光伏组件风荷载体型系数随安装位置的变化。
由图11可看出:对于存在倾角的光伏组件,在180°风向角下单排内侧位置光伏组件所受风荷载大于边缘位置光伏组件;在150°风向角下,当倾角较小(β=5°和β=10°)时,要注意单排内侧位置光伏组件所受风荷载(风吸力大于边缘位置光伏组件);当倾角较大(β=15°和β=20°)时,要注意上游光伏组件所受风荷载。

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图11体型系数随安装位置的变化
气流流经单排光伏组件时,中间区域光伏组件两侧绕流受限,加速了顶部和底部的绕流,加速扰流使更多气流由尾流夹卷进入剪切层,降低背压,导致中间区域光伏组件风荷载明显大于两侧组件风荷载。因此在进行光伏组件结构设计时,要特别注意中间区域光伏组件所受风荷载。
结论
通过刚性模型测压风洞试验,研究风向角、倾角、间距比和安装位置对柔性支撑光伏组件风荷载的影响规律,得到以下结论:
1)柔性支撑光伏组件风荷载体型系数极大值风向角通常发生在α=150°或α=180°附近,结构风荷载在风向角α=150°比较敏感。风荷载随着倾角的增大基本呈线性增长,并且结构风荷载对倾角的敏感程度大于其他参数,因此在进行柔性支架结构设计时要特别注意倾角变化对结构风荷载的影响。
2)不同倾角光伏组件风荷载随着间距比的变化规律不一致,倾角较小的光伏组件风荷载随着间距比的增加而减小,倾角较大的光伏组件风荷载随着间距比的增加而增大。间距比的变化主要改变了背风面的风速(增强),从而减小了背风面的压力,背风面风荷载对间距比的敏感程度大于迎风面。
3)中间区域光伏组件两侧绕流受限,顶部和底部的扰流加速,气流由尾流夹卷进入剪切层,使剪切层的曲率半径减小,降低背压。
4)在小倾角柔性支撑光伏支架的风荷载估算中,需要考虑风向角、倾角、间距比和安装位置等因素的影响,建议采用本文提出的考虑角系数和位置系数修正的风荷载标准值估算公式。
资料来源:柔性支撑光伏组件风荷载影响因素试验研究

END

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原文始发于微信公众号(光伏产业通):柔性支撑光伏组件风荷载影响因素

作者 808, ab