莊圣成，李壽科，劉敏

（1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

太陽能光伏面板以陣列布置的方式廣泛安裝于建筑屋面，用于發(fā)電。風(fēng)荷載是光伏面板支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性荷載[1]。對(duì)于以單坡形式安裝于屋面的平板式光伏面板，李壽科等[2]研究了不同的面板放置方式及參數(shù)對(duì)其風(fēng)荷載特性的影響。余香林等[3]研究了面板風(fēng)荷載分布及其概率密度特征。王京學(xué)等[4]對(duì)單坡光伏系統(tǒng)進(jìn)行研究，給出了全風(fēng)向最不利極小值風(fēng)壓隨附屬面積變化的衰減曲線。樓文娟等[5]采用風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD 數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了不同傾角和串列數(shù)對(duì)地面光伏板體型系數(shù)的影響，并給出了陣列光伏板體型系數(shù)隨光伏板串列數(shù)的變化規(guī)律。

本文針對(duì)一種在平屋面上采用雙坡方式布置的屋面光伏陣列開展風(fēng)荷載特性研究，當(dāng)前我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012 缺乏此類屋面光伏面板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載建議取值，且以往研究多基于國外規(guī)范進(jìn)行面板風(fēng)荷載效應(yīng)研究，給出的設(shè)計(jì)建議取值難以適應(yīng)我國規(guī)范設(shè)計(jì)。本文首先研究陣列間距、光伏板傾角對(duì)雙坡式光伏板陣列風(fēng)荷載特性的影響，基于實(shí)際結(jié)構(gòu)的支撐和安裝方式，然后基于特定工況給出風(fēng)荷載設(shè)計(jì)建議取值擬合公式，為我國實(shí)際工程和國家規(guī)范修改或補(bǔ)充提供參考。

1 剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)在湖南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際尺寸為L×B×H=20m×20m×10m 的平屋面商業(yè)建筑，屋面放置雙坡式的光伏面板陣列。單塊面板足尺平面尺寸為2m×1m，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)圖如圖1 所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1:25，縮尺后的建筑模型尺寸為L×B×H=800mm×800mm×400mm，風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞率約為3%。將四個(gè)光伏面板組成為一個(gè)單元，編號(hào)為M1-M8，用于后文風(fēng)荷載特性研究。本文主要研究光伏面板陣列間距、安裝傾角對(duì)其風(fēng)荷載特性的影響。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)（單位：mm）

1.2 工況安排

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)工況參數(shù)設(shè)置（單位：°/mm）

1.3 數(shù)據(jù)處理

光伏板模型上下表面風(fēng)壓系數(shù)由式（1）、式（2）給出：

其中Cpu（i,t）、Cpl（i,t）分別為上下表面測點(diǎn)i 的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程，Pu（i,t）、Pl（i,t）分別為試驗(yàn)時(shí)上下表面測點(diǎn)i 的風(fēng)壓時(shí)程，P0為風(fēng)洞靜壓，ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3，uh為參考高度—屋面高度處的平均風(fēng)速。

光伏面板測點(diǎn)凈風(fēng)壓系數(shù)由式（3）給出：

Cpn（i,t）為測點(diǎn)i凈風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程。

光伏面板單元的面積加權(quán)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程Cf（t）定義如下：

其中Ai為測點(diǎn)的從屬面積，n為面板單元上測點(diǎn)的數(shù)目。依次對(duì)上述時(shí)程進(jìn)行時(shí)間平均可獲得面板單元平均風(fēng)壓系數(shù)Cfp_mean。面板單元極值風(fēng)壓系數(shù)采用峰值因子法計(jì)算，峰值因子g 取3.5：

2 陣列面板風(fēng)荷載影響因素參數(shù)分析

2.1 陣列間距

選取工況2、3、4 研究不同陣列間距下的面板單元風(fēng)荷載特性。圖2 給出典型面板單元M1 風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向變化的規(guī)律。由圖2 可以看出，不同陣列間距的面板單元風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律基本一致，平均風(fēng)壓系數(shù)在-0.8～0.4 范圍內(nèi)變化，最不利負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在30°風(fēng)向附近；極大值風(fēng)壓系數(shù)在-0.4～0.8 范圍內(nèi)變化，最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在30°風(fēng)向附近；極小值風(fēng)壓系數(shù)在-1.8～0 范圍內(nèi)變化，最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)在50°風(fēng)向附近?？梢钥闯觯煌嚵虚g距的面板風(fēng)荷載分布規(guī)律基本一致，而斜風(fēng)向錐形渦的作用易引起面板最不利極值風(fēng)吸力。

圖2 在不同陣列間距下M1 面板凈風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化圖

將模型縮尺間距換算為足尺尺寸，圖3 給出了M1～M8所有面板單元的最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)，最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)隨足尺陣列間距變化規(guī)律，以及設(shè)計(jì)公式擬合曲線。對(duì)于最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)，面板單元M1、M3 的最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)隨著陣列間距的增加而減少；面板單元M2、M6 的最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)在0.5～0.75m 之間隨著陣列間距的增加而減少，在0.75～1m 之間隨著陣列間距的增加而增加；M4 面板單元最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)在0.5～1m 之間隨著陣列間距的增加而增加；M5、M7、M8 面板單元最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)在0.5～0.75m 之間隨著陣列間距的增加而增加，在0.75～1m 之間隨著陣列間距的增加而減少。最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)易出現(xiàn)在前排面板區(qū)域，M1 尤為明顯。

圖3 不同陣列間距下面板最不利極大和極小風(fēng)壓系數(shù)及其包絡(luò)值、擬合值

對(duì)于最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)，M1、M2 面板單元最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)在0.5～0.75m 與陣列間距呈負(fù)相關(guān)，在0.75～1m之間呈正相關(guān)，陣列間距的增大會(huì)減小錐形渦的破壞，使得面板極值風(fēng)吸力增大；處于背風(fēng)側(cè)M3、M4 面板單元最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)的絕對(duì)值在0.5～1m 間距范圍內(nèi)逐漸增大，但增大的幅值較??；處于中間行的M5～M8 面板單元受前排面板的遮擋，隨著陣列間距的增大遮擋效應(yīng)減小而極值風(fēng)吸力增大，隨著陣列間距進(jìn)一步增大會(huì)致使其處于尾流區(qū)，從而會(huì)減小其極值風(fēng)吸力。最不利極小值風(fēng)壓的面板出現(xiàn)在前排區(qū)域，M1、M2 相比于其他面板易出現(xiàn)最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)。

同樣，將陣列間距轉(zhuǎn)化為足尺尺寸，式（6）（7）中給出不同間距下，最不利極大值、最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)隨陣列間距變化的擬合公式。

其中，d 為陣列行間距。

2.2 面板安裝傾角

面板安裝傾角是光伏板系統(tǒng)安裝的一個(gè)重要的參數(shù)，也是其風(fēng)荷載特性的重要影響因素。選取工況1、工況2、工況5 研究不同面板安裝傾角下的面板風(fēng)荷載特性。圖4 給出了典型面板單元M1 風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向變化的規(guī)律。從圖中可以看出，不同安裝傾角的面板單元的變化規(guī)律基本一致，平均風(fēng)壓系數(shù)在0.3～-0.8 范圍內(nèi)變化，最不利負(fù)平均風(fēng)壓系數(shù)均出現(xiàn)在320°風(fēng)向附近，最不利正平均風(fēng)壓系數(shù)均出現(xiàn)在100°風(fēng)向附近；極大值風(fēng)壓系數(shù)在-0.4～0.8 范圍內(nèi)變化，最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)均出現(xiàn)在70°和310°附近；極小值風(fēng)壓系數(shù)在-1.6～0范圍內(nèi)變化，最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在300°～350°風(fēng)向范圍內(nèi)，M1面板最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)與傾角變化并不一致。因此，不同安裝傾角對(duì)面板風(fēng)荷載的影響程度不同，但其風(fēng)荷載隨風(fēng)向變化的規(guī)律基本不變，垂直風(fēng)向面板的傾角越大而受到的風(fēng)吸力越小，斜風(fēng)向仍然對(duì)不同傾角工況的面板風(fēng)荷載起控制性作用。

圖4 不同傾斜角下M1 面板凈風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化圖

圖5 給出了M1～M8 面板單元，以及所有面板中最不利面板的最不利凈平均風(fēng)壓系數(shù)，最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)，最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)隨傾角變化規(guī)律。對(duì)于最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)，面板的安裝傾角對(duì)于極大值風(fēng)壓系數(shù)的影響較為明顯，面板單元M2、M5、M7、M8 傾角越大，最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)越大；M6 面板單元在20°和30°的時(shí)候最不利極大值風(fēng)壓系數(shù)相差較小，10°～20°傾角越大，極大值風(fēng)壓系數(shù)越大；M1、M3、M4面板單元10°～20°內(nèi)傾角越大，極大值風(fēng)壓系數(shù)越大，20°～30°內(nèi)傾角越大，極大值風(fēng)壓系數(shù)越小?？傮w上來說屋面前緣面板極大值風(fēng)壓系數(shù)在10°～20°與傾角為正相關(guān)，20°～30°內(nèi)為負(fù)相關(guān)；屋面中間行面板的極大值風(fēng)壓系數(shù)隨安裝傾角最大為最大。對(duì)于最不利極小值風(fēng)壓系數(shù)，M1、M8面板單元極小值風(fēng)壓系數(shù)在10°～30°內(nèi)隨傾角增加先變小后變大；M2、M5 面板單元極小值風(fēng)壓系數(shù)在10°～30°內(nèi)隨傾角增加先變大后變小；M3、M6、M7 面板單元極小值風(fēng)壓系數(shù)在10°～30°內(nèi)隨傾角的增加而變小，但是M3 面板單元的變化幅度較??；M4 面板單元極小值風(fēng)壓系數(shù)在10°～30°內(nèi)隨傾角的增加而變大。所以，屋面前緣面板最不利極值風(fēng)吸力較大，受錐形渦的影響，數(shù)值隨傾角非線性變化，幅度在15%以內(nèi)，而屋面中間行面板所受到的極值風(fēng)吸力隨著面板傾角的增大而減小。

圖5 不同傾角下面板最不利極大和極小風(fēng)壓系數(shù)及其包絡(luò)值、擬合值

式（8）（9）給出了所有面板在不同的安裝傾角下，最不利極大值、極小值風(fēng)壓系數(shù)的包絡(luò)擬合公式：

其中，為光伏面板安裝傾角。

3 結(jié)論

本文主要研究平屋面雙坡板式光伏面板陣列的風(fēng)荷載特性，分析陣列間距，面板安裝傾角因素對(duì)風(fēng)荷載特性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）平屋面雙坡式光伏面板的不利風(fēng)荷載易出現(xiàn)在陣列前兩排，邊緣面板單元的不利風(fēng)向發(fā)生在斜風(fēng)向，中間面板單元的不利風(fēng)向發(fā)生在垂直風(fēng)向。

（2）陣列中的前排面板最不利極值風(fēng)吸力隨陣列間距的增大而增大，而陣列間距一定幅度的增大會(huì)減小中間行面板受到的遮擋效應(yīng)，其極值風(fēng)吸力受遮擋效應(yīng)和面板位置的影響較明顯。

（3）在安裝傾角10°～30°范圍內(nèi)，斜風(fēng)向仍然對(duì)不同傾角工況的面板風(fēng)荷載起控制性作用，屋面前緣面板的最不利極值風(fēng)吸力隨傾角非線性變化，幅度在15%以內(nèi)，而屋面中間行面板所受到的極值風(fēng)吸力隨著面板安裝傾角的增大而減小。