跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風荷載規(guī)范規(guī)定值與風洞試驗值對比

鄒云峰，李青婷，殷梅子，何旭輝，嚴磊，劉勇

(1. 中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南長沙，410075；3. 浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江杭州，311231)

跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)由于可實時調(diào)整方位角和傾角，最大限度地保證太陽光直射光伏陣列，能大大提升發(fā)電效率[1](最高可達40%)，而成為光伏產(chǎn)業(yè)近年來重點發(fā)展的方向之一。然而，跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，為實現(xiàn)實時轉(zhuǎn)動，需要減小其旋轉(zhuǎn)自由度，剛度較常規(guī)光伏結(jié)構(gòu)更小，且需要考慮的傾角范圍更大，使得它對風荷載更敏感。為確保結(jié)構(gòu)設計的安全性和經(jīng)濟性，跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風荷載取值引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注[2-4]。目前，有關跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)的風荷載取值規(guī)定較少，在設計其抗風強度時，主要參考固定支架光伏結(jié)構(gòu)風荷載取值。我國可供固定支架光伏結(jié)構(gòu)風荷載取值參考和依據(jù)的規(guī)范主要有GB 50797—2012[5]和GB 50009—2012[6]。其中，GB 50797—2012 中風荷載取值原則與GB 50009—2012 中的一致，規(guī)定地面和樓頂支架的體型系數(shù)均取1.3；GB 50009—2012 未直接規(guī)定光伏結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)取值，但可參考開敞單坡屋面結(jié)構(gòu)體型系數(shù)取值。需要指出的是，GB 50797—2012 假設光伏表面風荷載均勻分布，沒有考慮繞中心軸的力矩作用，也沒有考慮傾角的影響。然而，賀廣零等[7]的風洞試驗結(jié)果表明，作用在光伏面板上的不均勻風荷載會產(chǎn)生較大的中心軸力矩；王鶯歌等[8]在定日鏡的風荷載研究中考慮了力矩的作用；馬文勇等[9]通過風洞試驗提出了均勻分布、梯形分布和偏心距分布共3種荷載取值模型。事實上，國外許多規(guī)范考慮了力矩的作用。例如，美國規(guī)范ASCE 7-10[10]通過規(guī)定迎風端和背風端的風荷載取值不同來考慮力矩的影響；歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4[11]則更細致地將光伏結(jié)構(gòu)表面風荷載分為9個區(qū)域。

綜上所述，不同規(guī)范中的光伏結(jié)構(gòu)風荷載分布形式差異顯著，考慮的傾角范圍也不一樣，風荷載模型取值差異更大。不同規(guī)范對光伏結(jié)構(gòu)風荷載規(guī)定的差異表明人們尚未對光伏結(jié)構(gòu)風荷載取值達成統(tǒng)一認識，光伏結(jié)構(gòu)風荷載分布形式及其隨傾角變化規(guī)律都有待進一步深入研究。為此，本文首先比較了中國規(guī)范GB 50797—2012 和GB 50009—2012、日本規(guī)范JIS C 8955:2011[12]、美國規(guī)范ASCE 7-10 和歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 等國內(nèi)外主要光伏結(jié)構(gòu)風荷載相關規(guī)范中風荷載計算原則和主要參數(shù)等。然后，采用剛性模型測壓風洞試驗，獲得跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)在典型傾角和風向角下的表面風荷載分布，并將參考規(guī)范計算得到的光伏結(jié)構(gòu)風荷載與風洞試驗結(jié)果進行比較。研究結(jié)果可為跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)抗風設計的風荷載取值提供依據(jù)和參考。

1 光伏風荷載規(guī)范參數(shù)對比

結(jié)構(gòu)風荷載主要取決于基本風壓(或基本風速)以及風的脈動效應和結(jié)構(gòu)的振動效應。綜合文獻[13-20]，可以從風荷載計算、基本風速、陣風影響和風壓系數(shù)取值對比跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)的風荷載設計。

1.1 風荷載計算原則

對比各個規(guī)范的風荷載計算方法，得到風荷載計算公式及參數(shù)，如表1所示。

表1 各規(guī)范風荷載計算公式及參數(shù)說明Table 1 Wind load calculation formula and parameters description of each load code

1.2 基本風壓

中國規(guī)范GB 50797—2012 和GB 50009—2012根據(jù)地區(qū)劃分直接給出不同地區(qū)的基本風壓，而美國規(guī)范ASCE 7-10、歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4以及日本規(guī)范JIS C 8955:2011根據(jù)地區(qū)劃分給出不同地區(qū)的基本風速。據(jù)伯努利公式可以實現(xiàn)基本風速與基本風壓之間的換算，即w0=0.5ρv2(其中，w0為基本風壓，v為基本風速，ρ為空氣密度)。

各個荷載規(guī)范地形粗糙度分類、標準高度、平均風速時長與重現(xiàn)期的不同造成各個規(guī)范基本風速標準存在差異，具體取值如表2所示。不同時長的平均風速和重現(xiàn)期之間的基本風速可以相互換算。地形粗糙度直接影響風速剖面，根據(jù)地形的粗糙程度，中國規(guī)范(GB 50797—2012 和GB 50009—2012)和美國規(guī)范ASCE 7-10 將地形粗糙度分為A(美國2002年取消A 類，建議A 類地形采用風洞試驗方法)，B，C和D共4類，日本規(guī)范JIS C 8955:2011 將地形粗糙度分為I，II，III 和IV共4類，歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4將地形粗糙度分為0，I，II，III和IV共5類，各荷載規(guī)范的地面粗糙度類別對應關系及基本風速相關參數(shù)如表2所示。

表2 各規(guī)范基本風速相關參數(shù)[13-15]Table 2 Related parameters of basic wind speed in each code[13-15]

各個規(guī)范都考慮了不同地形下垂直方向高度的影響。中國規(guī)范(GB 50797—2012和GB 50009—2012)、美國規(guī)范ASCE 7-10 和日本規(guī)范JIS C 8955:2011 分別通過風壓高度系數(shù)μz、風壓高度變化系數(shù)Kz和高度變化系數(shù)Er來修正高度對基本風壓的影響，歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 則采用粗糙度系數(shù)Cr(z)來修正高度對基本風速的影響。

1.3 陣風影響

中國規(guī)范GB 50797—2012 和GB 50009—2012采用風振系數(shù)βz表征主體結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應，當結(jié)構(gòu)的自振周期大于0.25 s時，結(jié)構(gòu)應考慮風壓脈動對結(jié)構(gòu)順風向風振的影響。對于固定式光伏結(jié)構(gòu)，采用中國規(guī)范GB 50797—2012 和GB 50009—2012計算風荷載時，跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)取風振系數(shù)βz=1.0；美國規(guī)范ASCE 7-10采用3 s風速時長，故無需考慮陣風影響，且采用陣風影響系數(shù)G來考慮瞬時風速作用在結(jié)構(gòu)表面上的不均勻性所引起的折減，規(guī)定剛體結(jié)構(gòu)取陣風影響系數(shù)G=0.85，故對于跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風荷載計算，參考美國規(guī)范ASCE 7-10 時取陣風影響系數(shù)G=0.85；日本規(guī)范JIS C 8955:2011根據(jù)II類地形，10 m以下高度取陣風效應系數(shù)Gf為2.2；歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4通過暴露系數(shù)Ce(z)考慮陣風效應，其計算公式如下：

式中：Cr(z)為粗糙度系數(shù)；C0(z)為地形系數(shù)，當?shù)匦纹教箷r，取C0(z)=1.0；Iv(z)為湍流強度。

1.4 風壓系數(shù)取值

對于沒有對光伏結(jié)構(gòu)風荷載進行規(guī)定的中國規(guī)范(GB 50797—2012 和GB 50009—2012)、美國規(guī)范ASCE 7-10 和歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4，進行風荷載設計時，一般參考開敞單坡屋面結(jié)構(gòu)。各荷載規(guī)范中跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風壓系數(shù)建議取值具體如下。

1)中國規(guī)范(GB 50797—2012 和GB 50009—2012)取值。中國規(guī)范GB 50009—2012采用體型系數(shù)來表征結(jié)構(gòu)表面風壓分布規(guī)律。參考開敞單坡屋面，跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風壓分布為兩區(qū)域分布，面板的迎風端與背風端取不同體型系數(shù)，并考慮傾角的影響，具體圖示及取值分別如圖1和表3所示。其中，μs1，μs2，μs3和μs4分別為背風前端、背風后端、迎風前端和迎風后端的體型系數(shù)。

表3 GB 50009—2012單坡屋面體型系數(shù)Table 3 Single slope roof shape coefficient of GB 50009—2012

中國規(guī)范GB 50797—2012 直接取光伏支架風荷載的體型系數(shù)為1.3，沒有考慮光伏面板風壓的不均勻分布及光伏面板傾角的影響。

2)美國規(guī)范ASCE 7-10取值。美國規(guī)范ASCE 7-10 參考開敞單坡屋面，分為case A 和case B 共2種荷載類型。迎風端和背風端取不同的風壓系數(shù)，并根據(jù)擋風面積，將風分為順暢風和阻礙風。最后給出對應風類型和荷載類型在風向角為0°和180°、傾角為0°～45°時的風壓系數(shù)取值。

3)日本規(guī)范JIS C 8955:2011 取值。日本規(guī)范JIS C 8955:2011 認為光伏面板表面風壓均勻分布，規(guī)定對于地面安裝的光伏結(jié)構(gòu)，在傾角為15°～45°，光伏結(jié)構(gòu)上表面迎風時，CW=0.65+0.009θ(θ為光伏面板的傾角)；光伏面板下表面迎風時，CW=0.71+0.016θ。在光伏陣列中，外側(cè)光伏結(jié)構(gòu)采用公式值，中間部分光伏結(jié)構(gòu)近似取公式值的0.5倍。同時也給出了斜屋頂安裝和平屋頂安裝的風壓系數(shù)取值。

4)歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 取值。歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 考慮了傾角為0°～30°時光伏結(jié)構(gòu)的風壓系數(shù)，在給出整體力系數(shù)及合力作用中心的基礎上，將面板劃分為A′，B′和C′區(qū)域(如圖2 所示，其中，d為結(jié)構(gòu)的迎風面寬度，b為迎風面長度)，給出每個區(qū)域的凈風壓系數(shù)。歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4中結(jié)構(gòu)風荷載計算方法有力系數(shù)法與求和法規(guī)定對于廣告牌和具有特定形狀截面的結(jié)構(gòu)采用力系數(shù)法計算風荷載，故對于光伏結(jié)構(gòu)，采用力系數(shù)法計算風荷載。

綜上可得各個規(guī)范跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風壓系數(shù)建議取值特點，如表4所示。

表4 各規(guī)范光伏結(jié)構(gòu)風壓系數(shù)取值特點Table 4 Characteristics of wind pressure coefficient of photovoltaic structures in each code

由以上分析可知，參考不同規(guī)范計算的結(jié)構(gòu)風荷載會存在一定的差異，但各規(guī)范風荷載計算思路相同，即通過基本風速得到基本風壓，隨后在基本風壓的基礎上考慮地面粗糙度、風的脈動效應和結(jié)構(gòu)振動效應等影響，再修正其他各項影響因素得到標準風荷載。各荷載規(guī)范的風荷載計算差異主要體現(xiàn)在各種參數(shù)、系數(shù)的選取不同。

2 光伏風荷載風洞試驗

2.1 試驗概況

試驗在中南大學風洞實驗室高速段均勻流場中完成。中南大學風洞實驗室高速試驗段風速在0～94 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，均勻流場中湍流度小于0.3%。試驗風速為15 m/s，風壓測量儀器為高頻壓力掃描閥，采樣頻率為625 Hz，采樣時長為30 s。

剛性模型測壓風洞試驗的模型需要滿足幾何相似，同時為保證測試結(jié)果精度，要求試驗模型具有足夠的強度及剛度，確保在試驗風速下模型不發(fā)生明顯的變形和振動。為便于光伏面板傾角調(diào)節(jié)，設計和加工一種傾角可調(diào)光伏結(jié)構(gòu)模型，其面板采用有機玻璃和ABS 板加工而成，雙主梁則采用剛度較大的鋼材。綜合考慮試驗段截面尺寸及實際工程中光伏結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，選定模型幾何縮尺比為1∶10，模型長×寬×高為2 000 mm×394 mm×50 mm，光伏面板中心離地高度H=220 mm，上、下主梁到中心軸的距離l均為57 mm。光伏面板布置雙面測點，上下表面各對應布置120個測點。光伏結(jié)構(gòu)模型示意圖及測點布置圖如圖3 和圖4 所示。圖3 和圖4 中，α為風向角，θ為光伏面板傾角。選取0°，45°，135°和180°共4個風向角和0°～60°范圍內(nèi)的6個典型傾角進行測壓試驗，試驗工況如表5所示。

表5 試驗工況表Table 5 Test cases

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗測得的風壓可計算各測點平均風壓系數(shù)CPi為

其中：Pi為第i個測點的平均風壓；P0和P∞分別為試驗參考高度處的總壓和靜壓。凈風壓系數(shù)為光伏面板對應上、下測點風壓系數(shù)之差。約定壓力方向指向光伏面板為正壓，離開光伏面板為負壓。下文若無特別說明，風壓系數(shù)均指凈風壓系數(shù)。

根據(jù)各測點的平均風壓系數(shù)，可計算光伏面板的整體平均風壓系數(shù)CP為

式中：n為測點總數(shù)；Ai為第i個測點的附屬面積；A為光伏面板總面積。

光伏面板風壓分布不均勻，必須考慮面板中心軸處的力矩作用，計算光伏面板的中心軸力矩系數(shù)CMc的公式為

中心軸力矩Mc定義如圖3所示。

3 規(guī)范規(guī)定值與風洞試驗值對比

3.1 氣動力系數(shù)對比

通過試驗得到4個風向角和6個傾角下光伏結(jié)構(gòu)的整體平均風壓系數(shù)和中心軸力矩系數(shù)，風洞試驗結(jié)果與各規(guī)范中平均風壓系數(shù)及中心軸力矩系數(shù)計算值的對比分別如圖5和圖6所示。

由試驗結(jié)果可知：在傾角為0°～60°時，光伏結(jié)構(gòu)整體平均風壓系數(shù)絕對值隨傾角增大而增大，李壽科等[21-25]也得出類似結(jié)論；風向角為0°和180°時的平均風壓系數(shù)絕對值分別大于風向角為45°和135°時的整體平均風壓系數(shù)絕對值；中心軸力矩系數(shù)隨著傾角的增大先增大后減小，在傾角為20°～35°時，中心軸力矩系數(shù)絕對值較大，這是因為在傾角為20°～35°時，光伏面板上下游測點承受的風壓差值較大，從而導致中心軸力矩較大[26]。

由圖5 可知：對于平均風壓系數(shù)，中國GB 50797—2012 取定值1.3，當傾角大于35°時，平均風壓系數(shù)小于風洞試驗結(jié)果，而中國規(guī)范GB 50009—2012只規(guī)定0°～30°傾角范圍內(nèi)的取值，在傾角大于20°時，平均風壓系數(shù)小于風洞試驗結(jié)果；美國規(guī)范ASCE 7-10 分為case A 和case B 共2種荷載工況，這2種荷載工況下的平均風壓系數(shù)結(jié)果都遠大于試驗結(jié)果；對于日本規(guī)范JIS C 8955:2011，在傾角為15°～45°，風向角為0°時，規(guī)范取值略小于試驗值，在風向角為180°時，風壓系數(shù)與風洞試驗結(jié)果較接近；對于歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4，在傾角為0°～30°，風向角為0°時，平均風壓系數(shù)與試驗結(jié)果較接近，當風向角為180°時，平均風壓系數(shù)大于試驗結(jié)果。

由圖6可知：對于中心軸力矩系數(shù)，中國規(guī)范GB 50797—2012 與日本規(guī)范JIS C 8955:2011 認為光伏結(jié)構(gòu)風壓均勻分布，中心軸力矩系數(shù)為0；中國規(guī)范GB 50009—2012 的中心軸力矩系數(shù)為定值-0.1，在傾角為8°～30°時，中心軸力矩系數(shù)絕對值小于風洞試驗結(jié)果絕對值；美國規(guī)范ASCE 7-10中case A荷載類型的中心軸力矩系數(shù)符號與試驗結(jié)果的符號相反，絕對值小于風洞試驗結(jié)果，case B荷載類型的中心軸力矩系數(shù)變化趨勢與風洞試驗結(jié)果相同，其絕對值大于風洞試驗結(jié)果；歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 中，中心軸力矩系數(shù)絕對值隨著傾角的增大近似呈線性遞增。

3.2 風荷載對比

綜合比較第2節(jié)中各規(guī)范的風荷載計算方法和跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風壓系數(shù)推薦取值可知，跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)各項參數(shù)及自身結(jié)構(gòu)模式的變化導致結(jié)構(gòu)受到的風荷載影響和破壞形式具有較大差異，故參考不同規(guī)范計算跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風荷載，并與風洞試驗結(jié)果進行比較。各個規(guī)范中，基本風速的相關參數(shù)如表2 所示。由文獻[13-20]可知：3 s 與10 min 平均風速時長之間的換算系數(shù)為1.422，100 a 和700 a(風險級別為II)與50 a 重現(xiàn)期之間換算系數(shù)分別為1.038 和1.139。以中國規(guī)范GB 50009—2012 的基本風速為標準，中國規(guī)范(GB 50797—2012 和GB 50009—2012)、美國規(guī)范ASCE 7-10、日本規(guī)范JIS C 8955:2011、歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4各荷載規(guī)范基本風速比值為1:1.620:1.038:1。以中國基本風速30 m/s(對應美國、日本規(guī)范和歐洲的基本風速分別為48.60，31.14 和30.00 m/s)、中國B 類地形(對應美國C 類地形、日本規(guī)范II 地形、歐洲規(guī)范II 類地形)、光伏面板面積為19.7 m2為例，計算風向角0°和180°時各個規(guī)范以及風洞試驗在各自傾角范圍內(nèi)的風壓和中心軸力矩，計算結(jié)果隨傾角變化如圖7所示。

各個規(guī)范所得參數(shù)計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果比較如表6所示。從表6可知：中國規(guī)范GB 50797—2012 和GB 50009—2012 在大傾角(大于20°)下，風壓計算結(jié)果小于風洞試驗結(jié)果；美國規(guī)范ASCE 7-10、歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 計算的風壓遠大于風洞試驗結(jié)果；日本規(guī)范JIS C 8955:2011計算的風壓與實驗結(jié)果接近且略大于風洞試驗結(jié)果；對于中心軸力矩，中國規(guī)范(GB 50797—2012)以及日本規(guī)范JIS C 8955:2011 均未作規(guī)定，中國規(guī)范(GB 50009—2012)和美國規(guī)范ASCE 7-10 中case A 荷載類型中心軸力矩計算結(jié)果偏小，歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4和美國規(guī)范ASCE 7-10中case B荷載類型中心軸力矩大于試驗值。其中，美國規(guī)范ASCE 7-10 case B 荷載類型的中心軸力矩隨傾角變化趨勢與試驗結(jié)果更接近。

表6 規(guī)范計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果比較Table 6 Comparison of results of code with wind tunnel test

綜上可知，各個規(guī)范的平均風壓系數(shù)和中心軸力矩系數(shù)與風洞試驗結(jié)果均有差異，計算得到的風荷載也有所不同。在各個規(guī)范考慮的傾角范圍內(nèi)，參考美國規(guī)范ASCE 7-10中case B荷載類型及歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 對跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)的風荷載進行設計，能夠保證結(jié)構(gòu)安全；日本規(guī)范JIS C 8955:2011可以指導跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)的風壓設計，但沒有考慮中心軸承受的力矩作用，設計時，需額外校核結(jié)構(gòu)所受中心軸力矩作用；中國GB 50009—2012 和GB 50797—2012 在大傾角下(大于20°)的風荷載取值不能滿足設計要求。

4 結(jié)論

1)各個規(guī)范的平均氣動力系數(shù)以及風荷載計算結(jié)果都與風洞實驗結(jié)果有一定偏差。

2)在一定傾角范圍內(nèi)，可以參考相關規(guī)范進行光伏結(jié)構(gòu)設計。采用美國規(guī)范ASCE 7-10中case B 荷載類型和歐洲規(guī)范prEN 1991-1-4 設計對光伏結(jié)構(gòu)的風荷載時，可保證結(jié)構(gòu)安全，但是過于保守，設計不經(jīng)濟；采用日本規(guī)范JIS C 8955:2011和美國規(guī)范ASCE 7-10 中case A 荷載類型指導設計時，需要校核中心軸力矩。

3)采用中國規(guī)范(GB 50797—2012 和GB 50009—2012)計算得到的氣動力系數(shù)及風荷載在大傾角下小于風洞實驗結(jié)果，故認為對于光伏面板這種厚度小、受風面積大的結(jié)構(gòu)，不考慮風的動力放大效應而取風振系數(shù)為1不合理。對跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)取值需要進一步研究。

4)跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)傾角變化范圍大，常用的幾種荷載規(guī)范都不能合理、安全地指導其風荷載設計，故需要進一步研究跟蹤式光伏結(jié)構(gòu)風荷載設計標準，以更好地指導結(jié)構(gòu)的風荷載設計。