屋顶光伏阵列风载荷的研究.docx

第 14 届中国光伏大会（cpvc14）论文集屋顶光伏阵列风载荷的研究宗岳、束云华、徐建美、付传国、冯志强(光伏科学与技术国家重点实验室，天合光能有限公司 江苏 213031)摘要：目前无地基光伏阵列受风载荷影响会产生倾翻力矩，影响光伏阵列的稳定。因此需要对不同阵列结构和不同体形屋顶光伏阵列表面风载荷分布大小和规律进行分析，从而为光伏组件的结构抗风设计提供荷载依据。本文主要通过对 trina mount 3 d10 的三种阵列结构进行不同风向角下刚性模型风 洞试验，得出各分块体型系数。同时运用 cfd 数值模拟技术，基于 ansys 软件平台， 采用湍流模型，对屋顶阵列的平均风压进行数值模拟。最后分析和对比风洞试验结果和 cfd 数值模拟结果。研究结果表明光伏阵列中存在局部建筑物对周围区域的风载荷影响较为明显，该影 响随着力建筑物越近越明显，特别是靠近局部建筑物最近一圈的光伏组件影响最为突 出。数值模拟结果整体较物理风洞结果要大，应用上偏于安全，两者规律性较为一致。关键词：光伏阵列；风洞试验；数值模拟；湍流模型；体型系数1 引言光伏系统作为屋顶结构的一部分，必 须满足自然环境例如（风、雪载荷）对其 基础，支架，组件产品稳定性的要求，而 其中飓风是我国，例如海岛，沿海，内陆 西部地区经常遇到的情况，系统结构设计 必须具有足够的强度和稳定性以满足当 地的最大风速的破坏。本文旨在通过同济大学tj-3号风洞对 trina mount 3 d10的三种阵列结构进行不 同风向角下的刚性模型风洞试验，得出各 分块的体型系数，分析对比不同因素对 trina mount 3 d10的影响。同时运用cfd数值模拟技术，采用湍流模型，对屋顶阵列的平均风压进行数值模拟。2 风载荷的计算方法垂直于建筑物表面上的风荷载标准 值，应按下述公式计算:wk=gzszw0式中wk风荷载标准值(kn/m )； gz高度z 处的风振系数； s风荷载体型系数； z风压高度变化系数；w0 基本风压(kn/m )。 以上公式参看gb 50009-2001，其中 gz值从表7.5.1查取，根据不同的地面粗糙度类型和离地面高度决定。22299第 14 届中国光伏大会（cpvc14）论文集s值从表7.3.1查取，但trina mount 3d10阵列的s值比较复杂，不一定符合表 7.3.1，所以需要做风洞试验进行测量。z值从表7.2.1查取，根据不同的地 面粗糙度类型和离地面或海平面高度决 定。w0值从附表d.4查取。同时参照附件d.2:式中 当地空气密度；v0 在高度10m处，计算平均50年一 遇的最大风速。3 风洞实验概况作为放置于屋面上的光伏阵列，由于 其布置体量大，对风荷载表现较为敏感， 同时板与板之间又存在相互的气流干扰 现象，因此本项目借助物理风洞的试验手 段确定光伏阵列的表面风荷载分布大小 和规律。（2）试验工况共分为三种，（建筑屋顶15m，屋顶倾角为 3）如图 2 所示：a. 模型一，无挡风板无女儿墙，朝南安装，30x20 阵列；b. 模型二，有挡风板无女儿墙，朝南安装，30x20 阵列；c. 模型三， 无挡风板无女儿墙，朝南安 装，30x20 阵列，但中间有一个 8mx4mx4m 的机房障碍。（3）根据试验测得的风压数据进行数据 处理，给出： a、用于结构设计的风荷载：24 个风向角 上各测点的平均风压系数、最大、最小风 压系数以及重现期 100 年的风荷载值；24 个风向角上各分块的体形系数； b、用于围护结构设计的风荷载：24个风 向角上各测点重现期为50、100年的年最大、最小阵风风压。图 23 光伏阵列布置图trina委托同济大学对此刚性模型进 行了风洞试验，测试了模型表面的平均压 力和脉动压力，试验结果可用于整体结构 设计和围护结构设计。主要包括以下研究 内容：（1）根据光伏阵列的地理位置和地貌特 点，在 1/10 缩尺比的 b 类大气边界层模拟 风场，通过电子压力扫描阀测量出刚体模 型表面的平均压力及同步脉动压力，风向角在 360o 范围内，按 15的间隔。图 2 三种试验工况和风向角4 风洞试验结果分析通过对比分析各种试验工况下光伏 阵列的风载荷分布，确定各种因素对光伏 阵列的影响。（1）针对模型一、模型二两种工况，两 侧的挡风板的存在对光伏阵列的最小值 或最大值风荷载（负压或正压）有局部影响，主要表现为两侧存在挡风板的情况下300第 14 届中国光伏大会（cpvc14）论文集整体增大了光伏阵列的风荷载分布，两侧挡风板的局部影响表现为在上部边缘降 低了风荷载，在中下部边缘提高了风荷 载，且局部影响主要局限在离挡风板较为的几排光伏。说明局部构件可能对整体的光伏局部风荷载分布存在影响，其影响区域主要为离局部构件较近的几排区域。 本项目的挡风板存在表现为增加了光伏列阵的负压或正压风荷载分布。（2）针对模型一、模型三两种工况，中部区域放置建筑物对周围区域的最小 或最大风荷载（负压或正压）影响较为明 显，该影响随着离建筑物越近越明显，特别是靠近局部建筑物最近一圈的光伏组件影响最为突出，其整体表现为局部建筑 的存在提高了光伏阵列的风荷载分布。5 数值分析cfd软件(computational fluid dynamics)，即计算流体动力学, 简称cfd。 cfd是近代流体力学，数值数学和计算机 科学结合的产物，是一门具有强大生命力 的边缘科学。它以电子计算机为工具，应 用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。 借助数值风洞技术数值模拟屋顶光伏组件不同布置形式下的风荷载参数变 化，具体研究内容如下：考虑建筑模型高度为15米，屋顶倾角为3，分别建立以下光伏布置模型。301第 14 届中国光伏大会（cpvc14）论文集a) 光伏布置形式为30行x20列布置，有侧板，无女儿墙形式，组件朝南支架； b) 光伏布置形式为30行x20列布置，无女儿墙形式，组件东西朝向支架； 针对以上2种太阳能的布置形式，每种模型分别考虑0180范围内风向角的变化对光伏风荷载的影响，风向角间隔15，即每种模型考虑13个风向角工况， 共26个模拟工况。针对以上26个工况，数 值模拟分别给出光伏组件及挡风板上下 两侧的风压分布，及其合并后的风压体型系数结果，以供结构设计优化使用。图 7 太阳能板布置模型6 风洞结果和 cfd 数值模拟的比较（1） 模型一对比： 模型一（无挡风板）在数值风洞和物理风洞的最小或最大风荷载（负压或正 压）结果对比可以看出，数值风洞的结果 较物理风洞的结果要略大；数值风洞下的 较大风荷载区域比物理风洞范围要大，数值风洞下的较小风荷载区域比物理风洞要小；数值风洞结果显示在光伏阵列下侧 有极小值或极大值分布而物理风洞结果 没有显示出该局部规律；整体表现为数值 风洞的结果偏安全，分布规律有其一致 性。（2） 模型二对比：模型二（有挡风板）在数值风洞和物 理风洞的最小或最大风荷载（负压或正 压）结果对比可以看出，数值风洞的结果较物理风洞的结果要偏大，结果偏安全；数值风洞结果显示光伏阵列在侧挡风板 对应列会出现较大的负压风荷载，该规律 与物理风洞结果一致，说明侧挡风板这种302第 14 届中国光伏大会（cpvc14）论文集局部构件对阵列风荷载的影响主要局限在局部构件附件的光伏，该项目的挡风板局部构件导致了风荷载的增大，不利于结构的受力。翻7伏阵列影响!最为突出，其整体表现为局部结论1通过光伏阵列刚性模型风洞测压建筑的存在提高了光伏阵列的风荷载分试验，得到如下结论：布基于试验得到三种模型，测出了在不通过数值风洞和物理风洞结果的对同风向角下trina mount 310光伏阵列的比可以看出：数值模拟的结果整体较物理各分块体型系数，这将有利于trina为不风洞的结果要大，应用上更加安全，两者同客户提供屋面风载荷的全套方案。的规律性较为一致。2通过物理风洞试验结果的对比可风洞试验的结果不仅能有效的帮助以看出trina mo nt 3 d10两侧挡风板的天合的trina mount 3 d10进行产品结构设存在对光伏阵列的风荷载有局部影响，主计方面的改进，同时能使tri a有能力为不要表现为两侧存在挡风板的情况下整体同客户提供屋面抗风的全套解决方案。增大了光伏阵列的风荷载分布。两侧挡风板的局部影响区域主要限定在离挡风板参考文献：较近的几排光伏组件，说明局部构件可能黄鹏，顾明，风洞中模拟大气边界层对整体的光伏局部风荷载分布存在影响流场的方法研究，同济大学学报，v27,no.2,1999.（其影响的正负需具体分析），其影响区建筑结构载荷规范gb50009-2001，中域主要为离局部构件较近的几排区域。国建筑工业出版社，2002.3通过物理风洞试验结果的对比可中国工程建设标准化协会标准，点支以看出：trina m unt 3 d10光伏阵列中存式玻璃幕墙工程技术规程cecs 127:2001.在局部建筑物对周围区域的风荷载影响wind tunnel studies of buildings and较为明显，该影响随着离建筑物越近越明ructures, asce manuals and reports on显，特别是靠近局部建筑物最近一圈的光engineering practice no.67, task committee303第 14 届中国光伏大会（cpvc14）论文集on wind tunnel testing of buildings and structures m. aerodynamics committee aerospace division, american society of civil engineers,1999.5 davenport, a.g., isyumov,n. and jandali, t.,”a study of wind effects for the sears project”, university of western ontario, engineering science report,blwt-5-19916 architectural in