风荷载作用下光伏支架稳定性研究

摘 要：固定可调式光伏支架系统对风荷载比较敏感，所受风荷载是设计中的主要控制荷载。在风力的作用下光伏板会产生振动，甚至发生共振，造成光伏板折断或跟踪器损坏。基于此，本文对光伏面板上风荷载的分布形式进行了分析，并确定出最合理的风荷载计算方式，再通过有限元模拟将风荷载施加到光伏支架不同运行角度（22°、58°）的模型上，分析风荷载作用下光伏支架的风振效应，判断光伏支架的稳定性，并以此为依据指导实际施工。

关键词：光伏发电；支架稳定性；风荷载；风振响应；稳定性分析；有限元分析

中图分类号：TM 615" " " 文献标志码：A

光伏发电系统的大范围推广促进了光伏设备的成熟与完善，但也有更多问题需要工程师的重视。在风力的作用下，光伏支架的光伏板会发生振动，甚至共振，造成光伏板折断或跟踪器损坏。基于此，本文分析了国内、外风荷载计算的规范和经验公式，得出光伏板的风载特性。再利用有限元软件分析不同风向角工况下光伏支架的位移变形情况、受力情况和抗倾覆稳定性，并以此为依据指导光伏支架安装施工。

1 光伏支架风载响应研究现状

1.1 风荷载分布特性分析

太阳能光伏板风荷载梯形分布是阶梯形分布的细化，承认了风压分布的不均匀性，即光伏板上的从风压上端到下端呈均匀过渡，更符合实际风压分布[]。风荷载计算的理论研究是基于空气动力学原理构建的数学方程，这种经验和规律总结出来的理论公式适用于简单的流体分析，可以通过简单计算得出结果。现阶段光伏支架风荷载计算如下。

《光伏支架结构设计规程》指导光伏支架风压计算，如公式（1）所示。

wk=βzμs1μzw0 （1）

式中：βz为风振系数；μs1为风荷载体形系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压。

《建筑结构荷载规范》中规定，光伏设备的风荷载如公式（2）所示。

wk=βzμsμzw0 （2）

式中：βz为风振系数；μs为风荷载体形系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压。

日本设计规范《太阳能光伏发电系统的设计与施工》假定风压均匀分布，可用于光伏设备的风压计算过程如公式（3）所示。

w=0.6CwV02ErGf IAw （3）

式中：Cw为风力系数；Aw为受风面积；V0为风速；Er为风速在高度上的分布；Gf为阵风影响系数；I为用途系数。

1.2 风荷载振动响应分析

理论上，根据结构风振发生形式，可将光伏支架风振分为涡振、驰振、颤振和抖振4种类型[]。随着作用于结构上的风荷载增大，结构抗振总阻尼由正值变为负值，结构无法抵消风荷载气流反馈的能量，导致结构振动幅度逐渐加大，进而导致光伏支架结构风毁[]。

现阶段对光伏支架结构风振响应的研究主要采用理论分析方法、有限元模拟分析法和风洞试验法[]。风振响应研究表明，当试验风速较高时，模型出现近似的等幅扭转振动且扭转振动的振幅随风速增加而增加。但当风速稳定时，振幅不会发散，与有明显突发颤振临界点的“硬振”相对而言，该振动状态被称为“软振”。

2 光伏支架稳定性模拟分析

2.1 光伏支架表面风载分布

光伏支架受风荷载影响面主要集中于光伏发电面板，光伏板的流场大致可分为气流未与光伏板接触前的位移区[]、气流流过光伏板两侧时产生的分离区、气流在光伏板背面形成漩涡的空腔区以及气流流过空腔区后由能量损失形成的尾流区。当光伏板处于不同工况下的高度角时，光伏板的受风面积不同，光伏板周围的流速也不同，从而使光伏板承受的风荷载不同。风作用于60°高度角模型时，迎风面下部受压力较大且向边缘处逐级递减；风作用于120°高度角模型时，模型迎风面上部受压力较大且沿着光伏板短轴依次减弱，并呈对称分布。通过分析可得不同风向角和高度角下的平均风压系数，如图1所示。从图1可以看出，在0°和180°的正负风向角下，光伏板体形系数绝对值随高度角增加不断增大，但并非呈线性变化。因此计算结构风荷载时，需要注意光伏板倾角的变化。当高度角变化范围处于10°～45°时，风压体形系数大致呈线性变化，风荷载计算可根据公式（1）取值计算。

2.2 基于梯形分布的风载计算

由于使用不同风荷载分布模型计算出的风荷载取值存在差异，根据前文分析可知，光伏板上端与下端风荷载不同，上端与下端之间过渡均匀，大致呈梯形分布[]。基于此，本文将梯形荷载分布分解为作用于光伏支架上光伏面板表面的矩形荷载W1和三角形荷载W2，作用于光伏支架上面板的梯形分布风荷载如公式（4）、公式（5）所示。

wk1=CwqAw （4）

wk2=βzμsμzw0 （5）

2.3 光伏支架受荷模态分析

利用Midas有限元模拟软件对一组连续安装的光伏支架和面板进行模拟分析，主要分析在不同风荷载作用下，光伏支架的位移变形和抗倾覆稳定性。光伏支架使用材料为Q235钢材，其密度ρ为7850kg/m3，弹性模量E为206GPa，泊松比μ为0.3。支架采用梁单元，共计98个支架部件单元。光伏发电面板材料弹性模量E为72GPa，泊松比μ为0.2，密度ρ为2500kg/m3，光伏面板采用板单元，共计60个板单元。光伏支架简化受力模型如图2所示。

由于光伏支架在不同时期的运行角度不同，支架结构的刚度和质量分布也随之发生变化，因此风荷载作用下的受力特性存在差异。基于此，本文的模态分析将光伏支架运营期间的控制角度58°和22°作为研究对象，来探究光伏支架在风荷载作用下的受力特性。模态振型也呈现出对称分布规律，主要是由支架结构的对称性导致的，分别如图3、图4所示。在不同控制角度下，光伏支架振型较相似，其中第一阶模态为整体沿Y轴位移，第二阶模态为沿X轴位移并绕Y轴发生扭转，第三、四阶模态均呈现出不同程度的扭转趋势，第四阶模态中光伏支架局部变形增大。

3 光伏支架风振效应分析

3.1 风振系数分析

光伏支架风振系数为支架结构最大位移与平均位移的比值，可用来反应支架结构风振响应、振幅等情况，如公式（6）所示。

（6）

式中：β为风振系数；U1为位移极值；U2为平均位移值。

分别选取控制角度为22°、58°分析模型上的12个点位进行分析，得出如图5所示的风振系数变化规律，即当角度为22°时，样本点位处风振系数为1.76～2.19；当角度为58°时，样本点位处风振系数为2.34～2.83。空间相关性会导致光伏支架两端发生扭转，使光伏支架两端位移均值U1增大，最终造成光伏支架两端的位移风振系数大于中部。并且随着控制角度增大，风振系数同时增大。由此可得，随着光伏支架运营使用期间控制角度增加，位移风振系数逐渐增大，但总体变化不明显。由此可知，在实际施工中应采取措施，使光伏支架受风荷载作用下的风振系数保持在采样点4～8的状态，即在22°运行角度下，支架风振系数为1.9左右；在58°运行角度下，支架风振系数为2.4左右。

3.2 风振响应分析

作为主要迎风面，光伏发电面板主要承受风荷载作用，再通过光伏面板下方檩条将荷载分量传递给主梁、立柱。光伏支架受风荷载作用发生位移的表现形式有2种，一是风荷载使立柱产生弯曲变形，导致与立柱相连接的主梁产生牵引位移，二是光伏支架部件发生的局部位移变形。当风荷载加载到不同运行角度的光伏发电面板上时，檩条上向下的力会使绕主梁轴线旋转的趋势有所相同。选取光伏支架2种不同运行角度，即22°、58°的工况进行分析，得出光伏支架各节点（1#～4#为檩条节点、5#～8#主梁节点和9～14#为立柱节点）位移变化曲线，如图6所示。在2种运行角度下，光伏支架整体的位移变化规律一致，均存在檩条和主梁上发生的位移量远大于立柱的情况，并且檩条和主梁上各位置位移差异较大，立柱上位移分布较均匀。当运行角度为22°时，檩条最大位移量为37.2mm，主梁最大位移为35.1mm，立柱位移为4mm～5mm。当运行角度为58°时，檩条最大位移量为58.9mm，主梁最大位移为55.5mm，立柱位移为7mm～10mm。原因是檩条和主梁构件形式使其韧性较强，吸收的振动能量较大，因此檩条和主梁构件自身变形也较大。

4 结论

本文模拟分析了光伏支架在风荷载作用下的效应，并结合实际工程中光伏支架的具体施工措施，得到以下结论。1）

在22°、58°这2种不同运行角度下，光伏支架两端风振系数高于中部，端部风振系数增幅分别为12.3%、10.7%。为提高光伏支架整体稳定性，在实际施工中应对一组光伏支架两端进行二次加固稳定，降低位移均值，使22°运行角度下的支架风振系数为1.8左右，58°运行角度下的支架风振系数为2.4左右。2）光伏支架主要受荷面为光伏发电面板。受风荷载影响时，光伏支架会在Y-Z平面发生扭转倾向和位移。当控制角度增大时，面板受荷载面积增大，发生扭转倾向和位移的趋势也同时增大。因此在实际施工过程中，应顺迎风面对光伏支架主梁进行抗扭转加固，并对光伏面板与主梁连接部位进行二次加固。

参考文献

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