風荷載作用下光伏支架穩(wěn)定性研究

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

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

中圖分類號：TM 615" " " 文獻標志碼：A

光伏發(fā)電系統(tǒng)的大范圍推廣促進了光伏設(shè)備的成熟與完善，但也有更多問題需要工程師的重視。在風力的作用下，光伏支架的光伏板會發(fā)生振動，甚至共振，造成光伏板折斷或跟蹤器損壞。基于此，本文分析了國內(nèi)、外風荷載計算的規(guī)范和經(jīng)驗公式，得出光伏板的風載特性。再利用有限元軟件分析不同風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)指導光伏支架安裝施工。

1 光伏支架風載響應(yīng)研究現(xiàn)狀

1.1 風荷載分布特性分析

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

《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》指導光伏支架風壓計算，如公式（1）所示。

wk=βzμs1μzw0 （1）

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

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

wk=βzμsμzw0 （2）

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

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

w=0.6CwV02ErGf IAw （3）

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

1.2 風荷載振動響應(yīng)分析

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

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

2 光伏支架穩(wěn)定性模擬分析

2.1 光伏支架表面風載分布

光伏支架受風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)。當光伏板處于不同工況下的高度角時，光伏板的受風面積不同，光伏板周圍的流速也不同，從而使光伏板承受的風荷載不同。風作用于60°高度角模型時，迎風面下部受壓力較大且向邊緣處逐級遞減；風作用于120°高度角模型時，模型迎風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向角和高度角下的平均風壓系數(shù)，如圖1所示。從圖1可以看出，在0°和180°的正負風向角下，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。因此計算結(jié)構(gòu)風荷載時，需要注意光伏板傾角的變化。當高度角變化范圍處于10°～45°時，風壓體形系數(shù)大致呈線性變化，風荷載計算可根據(jù)公式（1）取值計算。

2.2 基于梯形分布的風載計算

由于使用不同風荷載分布模型計算出的風荷載取值存在差異，根據(jù)前文分析可知，光伏板上端與下端風荷載不同，上端與下端之間過渡均勻，大致呈梯形分布[]?；诖耍疚膶⑻菪魏奢d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行模擬分析，主要分析在不同風荷載作用下，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98個支架部件單元。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60個板單元。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期的運行角度不同，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 光伏支架風振效應(yīng)分析

3.1 風振系數(shù)分析

光伏支架風振系數(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)風振響應(yīng)、振幅等情況，如公式（6）所示。

（6）

式中：β為風振系數(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個點位進行分析，得出如圖5所示的風振系數(shù)變化規(guī)律，即當角度為22°時，樣本點位處風振系數(shù)為1.76～2.19；當角度為58°時，樣本點位處風振系數(shù)為2.34～2.83?？臻g相關(guān)性會導致光伏支架兩端發(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振系數(shù)大于中部。并且隨著控制角度增大，風振系數(shù)同時增大。由此可得，隨著光伏支架運營使用期間控制角度增加，位移風振系數(shù)逐漸增大，但總體變化不明顯。由此可知，在實際施工中應(yīng)采取措施，使光伏支架受風荷載作用下的風振系數(shù)保持在采樣點4～8的狀態(tài)，即在22°運行角度下，支架風振系數(shù)為1.9左右；在58°運行角度下，支架風振系數(shù)為2.4左右。

3.2 風振響應(yīng)分析

作為主要迎風面，光伏發(fā)電面板主要承受風荷載作用，再通過光伏面板下方檁條將荷載分量傳遞給主梁、立柱。光伏支架受風荷載作用發(fā)生位移的表現(xiàn)形式有2種，一是風荷載使立柱產(chǎn)生彎曲變形，導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。當風荷載加載到不同運行角度的光伏發(fā)電面板上時，檁條上向下的力會使繞主梁軸線旋轉(zhuǎn)的趨勢有所相同。選取光伏支架2種不同運行角度，即22°、58°的工況進行分析，得出光伏支架各節(jié)點（1#～4#為檁條節(jié)點、5#～8#主梁節(jié)點和9～14#為立柱節(jié)點）位移變化曲線，如圖6所示。在2種運行角度下，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。當運行角度為22°時，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。當運行角度為58°時，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，吸收的振動能量較大，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荷載作用下的效應(yīng)，并結(jié)合實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種不同運行角度下，光伏支架兩端風振系數(shù)高于中部，端部風振系數(shù)增幅分別為12.3%、10.7%。為提高光伏支架整體穩(wěn)定性，在實際施工中應(yīng)對一組光伏支架兩端進行二次加固穩(wěn)定，降低位移均值，使22°運行角度下的支架風振系數(shù)為1.8左右，58°運行角度下的支架風振系數(shù)為2.4左右。2）光伏支架主要受荷面為光伏發(fā)電面板。受風荷載影響時，光伏支架會在Y-Z平面發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾向和位移。當控制角度增大時，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增大。因此在實際施工過程中，應(yīng)順迎風面對光伏支架主梁進行抗扭轉(zhuǎn)加固，并對光伏面板與主梁連接部位進行二次加固。

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