光伏方阵边缘风速加速效应与支架局部风压计算书

光伏方阵边缘风速加速效应

与支架局部风压计算书——基于GB50009-2012与NB/T10115-2018的风荷载专项验算项目编号PV-WIND-2026-001项目阶段施工图设计阶段文件类型风荷载专项计算书编制人XXX审核人XXX批准人XXX编制日期2026年10月18日

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1工程概况 工程概况本计算书针对某地面固定式光伏电站项目，对光伏方阵边缘区域的风速加速效应及其对支架局部风压的影响进行专项验算。项目场址位于我国西北某地区，场地开阔平坦，地势整体由西北向东南缓倾，地面粗糙度类别为B类。光伏阵列采用单晶硅组件，固定倾角安装，支架为镀锌钢桁架结构。方阵沿东西方向布置，南北向倾斜，倾角35°。方阵边缘处由于气流绕流与加速效应，局部风速显著高于场内平均风速，可能导致支架构件承受超过常规设计的局部风压。本计算书依据现行国家规范与行业标准，对边缘区域的风速放大效应进行定量分析，计算支架关键部位的局部风压标准值，并与常规设计值进行对比，为支架结构的安全设计提供依据。2设计依据与规范引用本计算书的编制严格遵循以下国家标准、行业规范及项目设计文件：序号标准编号标准名称1GB50009-2012建筑结构荷载规范2GB50797-2012（2024年版）光伏发电站设计标准3NB/T10115-2018光伏支架结构设计规程4GB50017-2017钢结构设计标准5GB50007-2011建筑地基基础设计规范6GB/T51368-2019建筑结构荷载规范应用标准表2-1设计依据规范一览表此外，本计算还参考了项目场址的气象站多年风速观测资料、场址地形图及岩土工程勘察报告等基础资料。3基本设计参数3.1场址基本参数参数名称符号数值单位备注场址海拔高度H1250m场地平均海拔场地粗糙度类别—B类—田野、乡村、丛林及房屋稀疏地区50年一遇10m高10min平均最大风速v₀28.3m/s气象站观测资料基本风压（50年重现期）w₀0.50kN/m²GB50009-2012附录E地面粗糙度指数α0.15—B类地貌梯度风高度H_G350mB类地貌表3-1场址基本参数表3.2支架与组件参数参数名称符号数值单位备注光伏组件尺寸（长×宽）—1956×992mm单晶硅组件组件安装倾角β35°南北向倾斜支架最低端离地高度h₁0.5m下边缘离地支架最高端离地高度h₂3.2m上边缘离地支架计算高度（平均）z1.85m等效受风高度支架钢材牌号—Q235B—镀锌钢结构支架间距（南北向）D3.5m相邻阵列中心距方阵总长度（东西向）L120m边缘效应影响范围表3-2支架与组件参数表4光伏方阵边缘风速加速效应分析4.1边缘加速效应机理光伏方阵由大量支架与组件组成，形成一个连续的粗糙表面。当气流从开阔场地流经光伏方阵时，由于阵列的阻挡作用，气流在方阵内部被削弱，而在方阵的迎风边缘处，气流被迫抬升并绕流，导致边缘区域的局部风速显著增大，这种现象称为“边缘加速效应”或“边缘风速放大效应”。边缘加速效应的产生机理主要包括以下几个方面：（1）气流抬升效应：迎风边缘处的气流遇到阵列阻挡后，部分气流沿迎风面爬升，在阵列顶部形成加速区，风速可达来流风速的1.1~1.3倍。（2）狭缝加速效应：相邻支架之间的间隙形成狭缝效应，气流通过狭缝时流速增大，边缘处的狭缝效应更为显著。（3）下洗与涡旋效应：气流绕过边缘支架后，在背风侧形成分离涡与下洗气流，导致边缘支架承受脉动风压的增大。根据国内外风洞试验与数值模拟研究成果，光伏方阵边缘区域（通常为前3~5排支架）的风速放大系数可达1.15~1.35，局部极值可达1.4以上。边缘效应的影响范围一般为阵列高度的5~10倍，沿迎风方向向阵列内部逐渐衰减。4.2地形地貌条件与场地分类本项目场址位于我国西北地区，场地开阔平坦，周围无高大建筑物或地形遮挡。根据GB50009-2012第8.2.1条的规定，地面粗糙度分为A、B、C、D四类。本场地属于B类地貌，即田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区。B类地貌的风压高度变化系数按下列公式计算：μ_z=(z/10)^α （4-1）式中：z为计算高度（m）；α为地面粗糙度指数，B类取0.15。由于本场地为平坦开阔地形，不考虑地形条件的修正系数η。但若场址位于山坡或高地边缘，应按GB50009-2012第8.2.2条的规定考虑地形修正。4.3边缘风速放大系数计算根据NB/T10115-2018及相关研究成果，光伏方阵边缘的风速放大系数μ_edge与以下因素有关：阵列的高宽比、排列密度、来流角度及边缘位置。本计算采用风洞试验验证的经验公式，边缘风速放大系数按下式计算：μ_edge=1.0+Δμ·e^(-x/L_edge) （4-2）式中：μ_edge为边缘风速放大系数；Δμ为边缘最大风速增大幅度，取0.20（即20%）；x为距迎风边缘的距离（m）；L_edge为边缘效应特征衰减长度，取5倍阵列高度，即5×3.2=16.0m。距边缘距离x(m)0（最前排）5.010.016.024.032.0边缘放大系数μ_edge1.2001.1461.0971.0741.0411.021相对来流风速放大率20.0%14.6%9.7%7.4%4.1%2.1%表4-1不同位置的边缘风速放大系数由表4-1可知，最前排（x=0）的边缘风速放大系数最大，为1.20，即边缘处的实际风速比来流风速增大20%。沿迎风方向向阵列内部，放大系数呈指数衰减，在距离边缘约32m（约10倍阵列高度）处，放大系数已接近1.0，边缘效应基本消失。对于本项目的安全设计，最前排支架为边缘效应的控制工况，取μ_edge=1.20进行局部风压计算。5支架局部风压计算5.1基本风压取值根据GB50009-2012第8.1.2条，基本风压w₀系指当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min平均最大风速v₀为标准，按w₀=ρv₀²/2确定的风压值。w₀=v₀²/1600=28.3²/1600=0.50kN/m² （5-1）式中：v₀为基本风速，取28.3m/s；空气密度ρ取标准值1.25kg/m³。根据GB50009-2012第8.1.2条，对于风荷载比较敏感的结构，基本风压应适当提高。光伏支架属于轻型钢结构，对风荷载较为敏感，且边缘区域存在加速效应，因此本计算取基本风压w₀=0.50kN/m²（50年重现期），并在边缘计算中考虑放大效应。5.2风压高度变化系数风压高度变化系数μ_z按GB50009-2012表8.2.1采用，对于B类地貌，按下式计算：μ_z=(z/10)^α=(z/10)^0.15 （5-2）支架的受风高度为组件平面的平均高度z=1.85m。由于z<10m，按GB50009-2012规定，取z=10m对应的μ_z值，即μ_z=1.00。但考虑到支架下边缘离地仅0.5m，上边缘高达3.2m，不同高度处的风压高度变化系数略有差异。为安全起见，按上边缘高度z=3.2m计算：μ_z=(3.2/10)^0.15=0.844 （5-3）综合考虑，本计算取支架顶部风压高度变化系数μ_z=0.84。5.3风荷载体型系数光伏支架的风荷载体型系数μ_s与组件的倾斜角度、安装方式及阵列布置有关。根据NB/T10115-2018附录B及GB50009-2012第8.3.1条的规定，倾斜平板的体型系数可按封闭式双坡屋面的体型系数取用。对于倾角β=35°的倾斜组件，正向风压（迎风面受压）与负风压（背风面吸力）的体型系数取值如下：工况迎风面μ_s1背风面μ_s2整体体型系数μ_s备注正向风压（风垂直吹向组件正面）+0.8-0.41.2受压为主负风压（风从背面吹向组件）-1.2+0.3-1.5吸力为主斜风45°（横向风）+0.5-0.61.1横向荷载表5-1风荷载体型系数取值表注：整体体型系数μ_s=μ_s1-μ_s2，正值表示压力，负值表示吸力。边缘区域由于气流分离加剧，局部体型系数可能比平均值增大约20%~30%。5.4阵风系数阵风系数β_gz用于考虑风的脉动特性对围护结构及组件的局部风压影响。根据GB50009-2012第8.6.1条，阵风系数按下式计算：β_gz=k·(1+2g·I₁₀) （5-4）式中：g为峰值因子，取2.5；I₁₀为10m高度处的湍流强度，B类地貌取I₁₀=0.14；k为地面粗糙度修正系数，B类取1.0。β_gz=1.0×(1+2×2.5×0.14)=1.70 （5-5）对于支架及组件围护结构，边缘区域的阵风系数应适当增大。考虑到边缘处的湍流强度因气流分离而增大，取边缘阵风系数β_gz_edge=1.85（比场内平均值增大约9%）。5.5局部风压标准值垂直于支架表面的风荷载标准值w_k按下式计算：w_k=β_gz·μ_s·μ_z·w₀·μ_edge （5-6）式中各符号意义同前。考虑边缘加速效应后，边缘区域的局部风压标准值计算如下：计算项目正向风压工况负风压工况斜风45°工况基本风压w₀(kN/m²)0.500.500.50风压高度变化系数μ_z0.840.840.84体型系数μ_s+1.20-1.501.10阵风系数β_gz1.851.851.85边缘放大系数μ_edge1.201.201.20局部风压标准值w_k(kN/m²)1.116-1.3951.021常规设计值（不考虑边缘效应）0.930-1.1630.851边缘效应增幅+20.0%+20.0%+20.0%表5-2边缘区域局部风压标准值计算表由计算结果可知，考虑边缘加速效应后，最前排支架的正向风压标准值为1.116kN/m²，负风压（吸力）标准值为1.395kN/m²，分别比常规设计值增大约20%。负风压工况为控制工况，其绝对值大于正向风压。6多工况验算6.1正向风压工况正向风压工况对应风从方阵正面吹向组件，组件承受压力荷载。该工况下，风荷载将组件向支架后侧推压，支架主梁及立柱承受弯曲与剪切作用。取单片组件的受风面积A=1.956m×0.992m=1.940m²，单片组件承受的风荷载标准值为：F_wk=w_k·A=1.116×1.940=2.165kN/块 （6-1）该荷载作用于组件形心位置，方向垂直于组件平面。对于最前排支架，每根立柱承担的风荷载应根据支架的受力模型进行分配计算。6.2负风压（吸力）工况负风压工况对应风从组件背面吹过，组件承受吸力荷载。该工况下，组件有被掀起的趋势，连接螺栓及压块承受拉拔力，支架上弦杆承受反向弯曲。负风压工况下，单片组件承受的风荷载标准值为：F_wk=|w_k|·A=1.395×1.940=2.706kN/块 （6-2）负风压工况的吸力值（2.706kN/块）大于正向风压的压力值（2.165kN/块），为风荷载的控制工况。这与光伏支架风荷载的一般规律一致，即吸力通常对支架设计起控制作用。6.3斜风偏角工况当风向与组件法线方向呈一定夹角（斜风）时，风荷载可分解为垂直于组件的法向分量和平行于组件的切向分量。斜风工况下，支架不仅承受平面外荷载，还承受平面内的横向荷载，可能对立柱的平面外稳定产生不利影响。本计算对0°（正向）、45°、90°（横向）三种典型风向角进行验算。其中90°横向风时，组件平行于风向，风荷载主要作用于组件的侧边边缘，局部体型系数较大，但总受风面积较小。工况风压标准值(kN/m²)单片组件荷载(kN/块)控制程度备注正向0°（压力）1.1162.165次要控制平面外受压反向180°（吸力）-1.3952.706控制工况平面外受拉斜风45°1.0211.981一般工况平面内外组合横向90°0.6501.261次要工况横向荷载为主表6-1多工况风荷载对比表7安全核验7.1构件强度核验以最前排支架的主梁（横梁）为例进行强度核验。主梁采用镀锌方钢管，截面尺寸为80mm×60mm×3.0mm，钢材为Q235B，抗弯强度设计值f=215N/mm²。主梁的截面模量W_x按下式计算：W_x=(B·H³-b·h³)/(6·H) （7-1）代入参数：B=80mm，H=60mm，b=80-2×3=74mm，h=60-2×3=54mm。W_x=(80×60³-74×54³)/(6×60)=2210400/360=6140mm³ （7-2）主梁跨度L=2.0m，承受均布风荷载设计值q=1.3×2.706/1.956=1.80kN/m（取负风压工况，荷载分项系数1.3）。主梁跨中最大弯矩为：M_max=q·L²/8=1.80×2.0²/8=0.90kN·m （7-3）主梁最大弯曲应力为：σ=M_max/W_x=0.90×10⁶/6140=146.6N/mm² （7-4）由于σ=146.6N/mm²<f=215N/mm²，主梁抗弯强度满足要求，强度安全裕度约为46.7%。7.2挠度变形核验主梁在风荷载标准值作用下的挠度验算按GB50017-2017的规定进行。主梁允许挠度为L/150=2000/150=13.3mm。均布荷载作用下简支梁的跨中挠度为：ν=5·q_k·L⁴/(384·E·I) （7-5）式中：q_k为风荷载标准值对应的线荷载，取2.706/1.956=1.384kN/m；E为钢材弹性模量，取2.06×10⁵N/mm²；I为截面惯性矩。I=(B·H³-b·h³)/12=(80×60³-74×54³)/12=1105200mm⁴ （7-6）ν=5×1.384×2000⁴/(384×2.06×10⁵×1105200)=6.6mm （7-7）由于ν=6.6mm<[ν]=13.3mm，主梁挠度满足要求，挠度安全裕度约为50%。7.3整体稳定核验支架立柱采用方钢管100mm×100mm×4.0mm，高度h=2.5m，两端铰接。立柱在风荷载作用下同时承受轴向压力与弯矩，按压弯构件进行整体稳定验算。立柱的长细比λ=h/i，其中回转半径i≈0.3×h_s（h_s为截面边长），即i≈0.3×100=30mm。λ=2500/30=83.3 （7-8）Q235钢的轴心受压稳定系数φ，根据λ=83.3查GB50017-2017附录表，取φ≈0.67。立柱承受的轴向压力主要来自组件自重与支架自重，约为N=3.0kN；弯矩M=0.90kN·m（同主梁端部弯矩）。立柱截面面积A=4×(100-4)×4=1536mm²。压弯构件整体稳定验算公式：N/(φ·A)+M/(γ_x·W_x)≤f （7-9）代入计算：3000/(0.67×1536)+900000/(1.05×13333)=2.92+64.3=67.2N/mm²<215N/mm² （7-10）立柱整体稳定满足要求，安全裕度较大。核验项目计算值允许值单位安全裕度结论主梁抗弯强度146.6215N/mm²46.7%满足主梁挠度6.613.3mm50.4%满足立柱整体稳定67.2215N/mm²68.7%满足立柱长细比83.3150—44.5%满足表7-1安全核验结果汇总表8结果分析通过上述计算与核验，可得出以下结论：（1）光伏方阵边缘区域存在明显的风速加速效应，最前排支架处的风速放大系数可达1.20，即局部风速比来流风速增大20%。该效应沿迎风方向呈指数衰减，影响范围约为阵列高度的10倍（约32m）。（2）考虑边缘加速效应后，支架局部风压标准值相应增大20%。负风压（吸力）工况为控制工况，其标准值为1.395kN/m²，对应单片组件的吸力荷载为2.706kN/块，比正向风压工况大约25%。（3）与常规不考虑边缘效应的设计值相比，边缘区域的风荷载增大约20%。若设计时未考虑边缘加速效应，最前排支架的实际风荷载将比设计值高出约20%，可能导致构件应力超限或挠度超标。（4）本项目采用的支架截面（主梁80×60×3方管，立柱100×100×4方管）在考虑边缘加速效应后，强度、挠度与整体稳定均满足规范要求，安全裕度约为45%~69%，结构安全储备充足。（5）边缘效应的影响具有空间分布特征：越靠近迎风边缘，风荷载越大；沿阵列纵深方向，风荷载逐渐衰减至场内平均值。因此，阵列边缘的前3~5排支架应按边缘工况进行设计，内部支架可按常规风荷载设计。9工程指导意义本计算书的分析结果对光伏电站支架设计具有以下工程指导意义：（1）设计阶段应考虑边缘加速效应：在光伏支架结构设计中，不应简单地采用统一的风荷载设计值，而应对迎风边缘区域的支架进行专门的风荷载验算，适当增大边缘支架的截面规格或加密连接节点，以保证边缘结构的安全性。（2）区分边缘区与内部区设计：建议将光伏阵列沿迎风方向分为三个区域——边缘加强区（前3排，μ_edge=1.15~1.20）、过渡区（第4~