光伏組件風致響應研究現狀綜述

范士錦 ， 王皓冉

（四川水利職業(yè)技術學院，四川 成都 611200）

光伏組件是把性能比較接近、尺寸比較合適的整片光伏電池片，排列后串聯或并聯之后拼裝而組成的。但光伏電池片的尺寸相對較大，以300 W的太陽能光伏板為例，其尺寸是1 960 mm*990 mm*35 mm，如果受到較大的風載作用，太陽能光伏板自身的強度和剛度都有可能無法滿足使用要求，可能會使太陽能光伏板產生斷裂或者較大的變形，也有可能導致太陽能光伏板不能正常使用或光電轉換效率有所下降。

1 光伏產業(yè)總體前景展望

光伏組件抗風是光伏組件發(fā)展過程中不可回避的課題，2015年臺風“彩虹”[1]登陸廣東后，對光伏板矩陣造成了一定程度的破壞，這給光伏組件的發(fā)展也打了一劑預防針。雖然此次臺風導致光伏板矩陣的破壞很大程度上是因為光伏板承受的風荷載遠遠超過了設計標準值，但也應從此次風災中吸取教訓，通過對光伏組件抗風能力的提升和風致響應機理的研究最大限度地降低較強風荷載對光伏組件的破壞，在認識和實踐層面都加以提升，最大限度地保障光伏產業(yè)的高質量發(fā)展。

“十四五”期間，光伏產業(yè)要直面大勢所趨下的平價時代和日趨激烈的國際貿易競爭，中國光伏行業(yè)協會預計“十四五”期間我國光伏年均增量將達到7 000萬kW。眾所周知，光伏組件的抗風性能影響著其在大風多發(fā)區(qū)的應用，如果能有效提高光伏組件的抗風性能，勢必能為光伏產業(yè)添磚加瓦。

2 光伏產業(yè)在農業(yè)方面的應用前景展望

十九大報告指出，農業(yè)農村農民問題是關系國計民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農”問題作為全黨工作的重中之重，實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。而光伏產業(yè)和鄉(xiāng)村振興有較好的融合點。

我國廣大農村地區(qū)具有充足的太陽能，也具有充足的可以布設太陽能光伏組件的空間，如果能夠將光伏組件較好地布設在我國廣大農村地區(qū)，這將是一項光伏產業(yè)升級的創(chuàng)新性舉措。發(fā)展太陽能產業(yè)也能夠更好地帶動我國農村地區(qū)的經濟發(fā)展，推動我國經濟的整體高質量發(fā)展，讓我國農村經濟邁上新臺階。

在我國廣大農村地區(qū)布設太陽能組件，也能夠更好地協調我國的城鄉(xiāng)發(fā)展，讓農村地區(qū)能夠通過光伏組件并網提高當地農民收益，從而縮小城鄉(xiāng)貧富差距。

正所謂“金山銀山不如綠水青山”，農村地區(qū)的生態(tài)保護工作處于十分重要的地位，通過在農村地區(qū)布設光伏組件，提供清潔能源，也很好地契合我國的綠色發(fā)展理念。

雖然當前在農村地區(qū)布設光伏組件還存在一些問題，但是應以開放的眼光審視目前存在的問題，隨著技術和科技的進步，未來這些問題一定能夠得到較好的解決，不能因噎廢食。我國有些地方的農村屋頂上覆蓋了一塊塊藍色薄板，這些藍色薄板在光伏產業(yè)中的專業(yè)名稱是分布式戶用光伏電站。相關調查結果顯示，我國有2.2億戶農民，截至2020年年底，安裝了戶用光伏的村民只有150萬戶，滲透率相對處于一個非常低的位置。業(yè)內人士預計，在碳達峰、碳中和目標的引領下，戶用光伏產業(yè)將是一個非常具有開發(fā)潛力的市場。

同時，在農村地區(qū)布設光伏組件也很契合共享的發(fā)展理念，能夠通過并網讓全國各地共享農村光伏提供的清潔能源，能夠激勵更多人投身光伏等清潔能源產業(yè)的建設，促進我國光伏產業(yè)的蓬勃發(fā)展。

《關于做好2022年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作的意見》也指出，要逐步提高中央財政銜接推進鄉(xiāng)村振興補助資金用于產業(yè)發(fā)展的比重，重點支持幫扶產業(yè)補上技術、設施、營銷等短板，強化龍頭企業(yè)帶動作用，促進產業(yè)提檔升級。鞏固光伏扶貧工程成效，在有條件的脫貧地區(qū)發(fā)展光伏產業(yè)。推進農村光伏、生物質能等清潔能源建設。

可見在2022這一年，農村光伏的發(fā)展也有很強的政策支撐，相關企業(yè)應該弘揚社會擔當精神，用創(chuàng)新和科技驅動農村光伏產業(yè)的發(fā)展。

在不考慮改善構件材料相關的物理力學性能的前提下，提升光伏組件抗風能力需要了解相應的抗風構造措施以及其風致響應的相關機理，從設計和施工構造兩個方面提升其抗風能力。近十年相關研究較多，下文挑選了其中比較具有代表性的研究進行了綜述。

3 光伏抗風研究現狀綜述

3.1 傾角、間距比和安裝位置等對光伏風致響應性能的影響

2016年高亮、竇珍珍、白樺等[2]研究了風荷載對光伏組件的影響，得出結論：光伏組件的不同傾角對風荷載的敏感度有所不同，敏感度與傾角呈現線性正相關的關系，然后通過試驗分析各影響因素并將其參數化。

2021年馬文勇、柴曉兵、馬成成[3]探索了傾角、間距比和安裝位置等相關重要因素，得出了這些因素對光伏組件風荷載的影響規(guī)律。在特定風向角下，組件受到風荷載影響較大，背風面風荷載對間距比的敏感程度高于迎風面。

因此，要結合光電效率和不同傾角的抗風特性，兼顧光伏組件的安全耐久性能以及太陽能轉化功率，綜合考慮傾角、間距比、安裝位置等多個因素的耦合作用，充分利用數理統計和實驗驗證。

3.2 遮擋對光伏風致響應性能的影響

2019年江繼波、章正暘、陸元明等[4-5]研究了有遮擋物時風荷載對光伏陣列的影響，得出結論：當遮擋物的高度達到較大的數值時，光伏板受到的風荷載不是升力而是壓力。同年，他們還對光伏板受風荷載作用時的彎矩進行了研究，光伏陣列的安裝傾角采用45°時所對應的彎矩系數較大，因此采用45°的安裝傾角是不太合適的。

2020年吳童[6]研究了屋頂光伏陣列在所處環(huán)境不同時風荷載對光伏陣列的不同影響，充分考慮了屋頂風場環(huán)境的變化以及建筑形狀對風載的影響，為光伏板的抗風設計提供了理論支撐。

2020年王京學[7]針對光伏板較薄、光伏板在強風作用下易損的情況，進行光伏板抗風設計研究，得出結論：光伏板風壓分布規(guī)律與屋蓋圍護結構是有所區(qū)別的，如果風從傾斜的光伏板偏高的點吹向偏低的點，那么位于平屋蓋下游區(qū)的光伏板凈風壓極值吸力相對偏大。

由此觀之，在光伏陣列周圍增設遮擋物進行抗風時，要充分考慮光伏板可能受到壓力的情況，如板中彎矩等。在考慮光伏陣列布置時要區(qū)別對待上游區(qū)和下游區(qū)，使下游區(qū)的光伏板凈風壓極值吸力能夠滿足使用要求。

3.3 其他性能對光伏風致響應性能的影響

2019年李佳輝[8]對獨立柱式太陽能光伏板抗風性能進行了研究，受光電轉換特性所限，太陽能光伏板絕大多數在戶外工作，且多為空曠處或者高處，缺乏遮擋結構，所以太陽能板的抗風研究很重要。對獨立柱式太陽能光伏板進行了有限元分析，計算得出結果：獨立柱式太陽能光伏板抗風性能均能滿足所處工況的設計使用要求，驗證了自然風與列車風共同作用的情形。

2019年李壽科、張雪、方湘璐等[9]對雙坡光伏車棚屋面抗風性能進行了研究，得出結論：雙坡車棚屋面的最大吸力處于屋脊處，最大風壓處于屋檐處。

2019年馬文勇、柴曉兵、劉慶寬等[10]研究了底部阻塞對太陽能光伏板的影響，太陽能光伏板使用過程中地面可能會起伏，植物也可能會生長，這些因素可能導致底部氣流阻塞，研究結論：底部阻塞會很大程度上提高光伏板上的最強風吸力，會一定程度上降低光伏板上的最強風壓力及風致彎矩。在目前的光伏使用中，應盡量避免太陽能光伏板底部阻塞，及時處理，避免阻塞可能造成的不確定影響。

2021年吳立晴、邵國棟、劉釗等[11]對強風地區(qū)平單軸光伏電站穩(wěn)定性進行了分析和優(yōu)化，研發(fā)了減振裝置對起控制作用的特殊部位予以加強。

因此，在所處風場條件允許的情況下，可以考慮采用獨立柱式太陽能光伏板來應對不利風場。在充分考慮光伏陣列的布置傾角、間距比和安裝位置等因素后，如果能夠對支架的重要特殊部位予以加強，適度地提高強度，選擇合適的剛度，這樣能對光伏組件整體的抗風能力予以增強[12]。

4 結語

綜上所述，對于光伏組件的抗風性能，可通過以下途徑予以提升[13-16]：

1）對規(guī)范抗風方面進行完善，充分考慮，夯實光伏組件抗風的理論基礎；

2）采用大數據以及人工智能等新技術對光伏組件進行抗風監(jiān)測，及時發(fā)現問題，及時改進；

3）針對不同的風場環(huán)境選用不同的光伏陣列，調整傾角、間距比和安裝位置等，選用不同的安裝方式。