光伏面板风荷载计算方法的中外规范比较

赵 岩，王龙威，豆红强

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.福州大学 紫金地质与矿业学院，福建 福州 350116)

当前，全球已有120多个国家或地区提出“碳中和”目标，光伏作为一种新兴的清洁能源，凭借其度电成本低、能源可获性强、可行性高等优势，已成为了全球实现“碳中和”目标的关键路径[1-3]。在这场声势浩大的全球能源革命浪潮中，我国光伏发电工程的建设也逐渐与国际市场接轨。但是，由于不同国家或地区采用的规范体系不尽相同，此时，如何准确认识并理解国内外光伏发电项目的勘察、设计和施工规范的异同就显得愈发重要。如李江渭等[4]通过对比指出中、美两国规范中光伏支架微型灌注桩设计存在明显的差异；刘燕华等[5]亦对比分析了中、澳、美、英光伏并网标准中电能质量相关规范的差异。

风荷载作为光伏结构设计的控制荷载，其表现出显著的方向不确定性、脉动性以及不均匀性[6-7]。为深化风荷载及其效应的认识，提高结构抗风设计水平，国内研究人员已就国内外风荷载设计规范开展了细致的对比研究。夏瑞光和范存新[8]对比研究了中、澳、欧风荷载规范中影响平均风荷载和脉动风荷载的主要参数；李先顺和柳景虹[9]则系统比较了中、美、欧规范中风荷载的计算方法；孙凌志等[10]从风荷载体型相关系数的角度对粤港澳地区风荷载规范进行了细致的对比分析；徐欣和周国玲[11]比较分析了中欧规范中桥梁结构工程风荷载的计算方法。显然，上述比较分析对设计人员理解和应用不同国家或地区的风荷载计算提供了重要参考，但具体到光伏发电工程，目前仍缺乏针对性的风荷载设计规范对比研究。

鉴于此，以光伏面板风荷载计算方法为切入点，选择目前全球应用最为广泛的中、美、欧、日规范开展比较分析研究，以期深入了解不同规范风荷载计算方法的异同，为涉外光伏发电工程项目的结构抗风设计提供参考。

1 风荷载计算方法的对比

当前在对光伏板支架和支座结构进行抗风设计时，太阳能光伏面板风荷载的计算大都是参考建筑结构设计规范，图1即为光伏面板风荷载计算示意图。具体来说，我国采用的风荷载计算方法是基于《建筑结构荷载规范》[12](GB 50009—2012)和《光伏发电站设计规范》[13](GB 50797—2012)，美国则是采用的《ASCE-7-10建筑荷载规范》[14]，日本采用的是《太阳能光伏发电系统设计与施工》[15]，而欧盟采用的是《EN 1991-1-4:2005》[16]。

1.1 中国规范的风荷载计算方法

我国在《建筑结构荷载规范》[12](GB 50009—2012)中规定作用于太阳能光伏面板上的风荷载可按式(1)计算：

wk=βzμsμzw0

(1)

式中：w0为基本风压,kN/m2；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；βz为风振系数。其中，μs一般按该规范8.3.3中第三条规定取值，即表8.3.1-29中单坡及双坡顶盖取值的1.25倍。但有必要指出的是，表8.3.1-29中的坡度区间为0°～30°，但太阳能跟踪器度数变化范围却并不完全与此重合，因此，部分取值可通过线性插值确定。此外，太阳能光伏阵列安装高度也不及屋顶高度，所以该规范并不能完全适用太阳能光伏面板体型系数的计算。而在《光伏发电站设计规范》[13](GB 50797—2012)中虽统一了地面与楼顶光伏支架体型系数的取值(均为1.3)，但又使得地面光伏支架的取值过于保守，在一定程度上会造成材料的浪费，进而导致工程总成本的增加。

图1 光伏面板风荷载示意图

1.2 日本规范的风荷载计算方法

日本《太阳能光伏发电系统设计与施工》[15]规定的风荷载计算方法见式(2):

w=CwqAw

(2)

式中：Cw为风力系数；q为设计速度压力,kN/m2；Aw为受风面积,m2。

设计速度压力q由式(3)予以计算确定：

(3)

式中：V0为风速,m/s；Gf为阵风影响系数；I为用途系数；Er为高度方向上的平均风速分布。

需指出的是，风力系数Cw可根据面板上各点风压系数加权平均予以确定。对地面上独立安装的光伏支架而言，其风力系数可表示为：

(4)

式中：θ为太阳能面板仰角(15°≤θ≤45°)。

相较于我国光伏发电设计规范，日本规范较细致地考虑了用途系数，这使得日本的光伏发电面板风荷载设计值更加符合实际使用情况；其次，日本的太阳能面板仰角一般为15°～45°。总体上，我国固定光伏支架设计的参考依据主要源自日本规范所提供的经验公式。

1.3 美国规范的风荷载计算方法

美国太阳能光伏面板的风荷载的计算公式主要根据美国建筑结构荷载规范(ASCE-7-10)[14]中实施，如(5)所示:

p=qhGCN

(5)

式中：G为阵风系数；CN为风荷载体型系数；qh为某一高度处的速度风压,kN/m2。

可见，美国ASCE-7-10规范在计算光伏面板风荷载时采用阵风为基本风速，而非我国规范采用的平均风速。但两种规范采用了相同的计算设计原理，对于常规结构的风荷载计算结果相差不大。

1.4 欧盟规范的风荷载计算方法

欧盟规范《EN 1991-1-4: 2005》[16]提供了两种适用于光伏面板风荷载计算模型，一是力系数法，见式(6);二是求和法,见式(7)。

Fw=cscd·cf·qp(ze)·Aref

(6)

(7)

其中：

(8)

(9)

Ffr=cfr·qp(ze)·Afr

(10)

式中：cscd为结构系数；cf为结构整体力学系数；cpe为外压系数；cpi为内压系数；cfr为摩擦系数；Aref为结构参考面积,m2；Afr则为与风向平行的结构外表面面积,m2。

综上，通过对比中、美、日以及欧盟规范中有关太阳能光伏面板风荷载计算方法可知，各国采用风荷载的计算原理大体一致，均是在基本风速的基础上(此处的风速并不是人为直接估算的风速，而是根据相关参数计算出的风速)计算基本风压，再综合考虑结构动力响应、风力扰动、地形条件和地表粗糙度等因素予以赋值修正，但是需指出的是，各国规范对于修正系数取值大小并不相同，下文即对此开展系统对比研究。

2 风荷载修正系数的对比分析

2.1 地表类别与基本风速

基本风速作为影响风荷载计算的最主要因素，其值受地面粗糙度、标准高度、时距和重现期等因素影响。

就地面粗糙度而言，我国规范将地面粗糙度分为A—D四类，如表1所示，其中场地的风压高度变化系数可由地面粗糙度类别予以确定。

表1 我国规范中地面粗糙类别表

美国规范中关于速度压力暴露系数kz的计算也是由地面粗糙程度决定。与我国规范相似，美国规范同样将场地地貌划分为四类(见表2)。

表2 美国规范中地面粗糙类别表

日本光伏发电规范中环境系数J是与太阳能光伏阵列的安装场所的地形密切相关，其将光伏阵列安装场所划分为三类，如表3所示。

表3 日本规范中的环境系数表

而在欧盟规范中，则将地面粗糙度分为0—Ⅳ五类，如表4所示。

表4 欧盟地面粗糙类别表

综上，现归纳有中、美、日、欧规范中的地面粗糙度类别，如表5所示可直观对照。

表5 地面粗糙度类别对照表

同时，表6又系统总结了各国规范中测定基本风速的粗糙度类别。由表6可知，中、美、日、欧规范中的基本风速均是在地面粗糙类别为“平坦开阔”处测定的。

表6 基本风速地面粗糙度类别

就标准高度而言，标准高度的取值对基本风速具有显著的影响，整体表现为风速距地愈近，风速愈小，距地愈高，风速愈大。表7系统的总结了中、美、欧、日规范中基本风速标准高度的取值。从表7中可以看出，其基本风速均在高度为10 m处测得。若某项目中的标准高度不是10 m，则可以根据规范采用相应的公式予以换算。

表7 基本风速高度对比表

基本风速是规定时距内的平均风速，因此时距作为基本风速的时间间隔，其取值大小不可避免的影响着风速的大小。一般而言，时距与风速呈负相关，时距取值越小，基本风速也就越大。而各国对于时距的取值各有不同，为此，表8给出了中、美、欧、日规范中基本风速的时距取值。较为明显的，表中，中、欧、日规范中基本风速时距取值均为600 s，而美国规范中仅为3 s。

表8 基本风速时距对比表

最后，表9给出了中、美、欧、日规范中基本风速的重现期。由表可知，中、欧、日规范中基本风速的重现期取值均为50 a，而美国规范中的取值则包含3个重现期，这是由于美国荷载规范ASCE7-10规定，建(构)筑物的风险类别可划分为4个类别，对应采用的基本风速重现期并不完全相同。具体来讲，I类次要建(构)筑的基本风速重现期取300 a，Ⅱ类一般建(构)筑物的基本风速重现期取700 a，Ⅲ、Ⅳ类重要建(构)筑物的基本风速重现期则取1 700 a。

表9 基本风速重现期对比表

2.2 风压高度与地形修正系数

图2 中、美、欧规范中风压高度变化系数比较

在风荷载的计算过程中，对于建设于山坡和山峰等特殊地形的太阳能光伏电站，需充分考虑地形条件的影响，并纳入计算考虑范围。

我国规范给出了地形修正系数ηB，计算如下：

(11)

式中：α为山坡坡度,(°)；H为坡高,m；z为建(构)筑物离地坪的高度,m；κ对山峰地形取2.2，对山坡地形则取1.4。

与此同时，美国规范中给出的地形修正系数kzt计算公式为：

(12)

式中：k1为待定参数；μ、γ分别为水平、竖向衰减系数；Lh为山坡半高处离坡顶的水平距离,m;|x|为离坡顶的水平距离,m。

欧盟规范中的地形修正系数c0可由式(13)予以确定。

(13)

式中：s为地形位置系数；φ为山坡的坡度,(°)。

如前所述，基本风速的测量需在平坦开阔场地开展，而对建于山坡和山峰等特殊地形上的太阳能光伏电站，在风荷载计算时各国规范中均有将受地形条件影响的放大系数(即地形修正系数)纳入考虑范畴，并且主要通过考虑山坡坡度及建筑物位于山坡的位置确定地形修正系数的取值大小。

2.3 风振系数

事实上，由于太阳能光伏支架结构高度不大，其风振系数可近似取定值。但有必要指出的是，相较于一般低矮建筑物，光伏支架结构常表现出柔度大且脆性破坏的特征。因此，在太阳能光伏面板风荷载计算模型中应对风振系数予以充分考虑。

风脉动和结构的风振效应为我国规范中的风振系数βz取值的主要考虑对象，用以描述风作用的动力影响；而美国规范则采用阵风系数G考虑动力影响；欧盟规范则分别采用湍流强度Iv来考虑风的脉动，用结构形状系数cscd考虑结构的风振效应，即是说，欧盟规范中湍流强度和结构形状系数的乘积cscd[1+7Iv(zs)]与我国规范中的风振系数βz及美国规范中的阵风系数G相似。表10即为上述各国系数对风荷载动力影响的对比。

表10 风振系数对比表

由表10可知，在选取刚度较大的低矮建(构)筑物的风振系数(阵风系数)时，中、美两国规范都是取固定值。而在欧盟规范中，仅结构形状系数为固定值，对于考虑风作用脉动影响的湍流强度的取值则大于1.0。可见，对于低矮建(构)筑物等结构(如太阳能光伏支架)而言，欧盟规范考虑风作用的动力影响明显比中、美规范大。

3 结 论

(1) 中、美、欧、日规范中有关太阳能光伏面板风荷载计算原理大体一致并自成体系，即在基本风压的基础上综合考虑地面粗糙度类别、地形条件、风压高度变化以及风振系数等因素进行修正，但各国修正系数取值存在一定差异。

(2) 中、美、欧、日规范中地面粗糙度类别、标准高度取值基本相同；中、欧、日规范中基本风速时距和重现期取值也相同，美国规范中则表现为时距短、重现期长的取值特点。

(3) 就光伏支架的风振系数而言，中、美规范均取固定值，欧盟规范考虑风作用的动力影响则较中、美大。

(4) 各国或地区规范在计算光伏面板风荷载时均未考虑阵列太阳能光伏板之间的相互影响。因此，对于复杂大型光伏发电站项目，有必要借助三维数值模拟确定光伏阵列风荷载。