平屋面雙坡板式光伏陣列風荷載特性

莊圣成，李壽科，劉敏

（1.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201；2.重慶大學土木工程學院，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，用于發電。風荷載是光伏面板支架系統結構設計的控制性荷載[1]。對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對其風荷載特性的影響。余香林等[3]研究了面板風荷載分布及其概率密度特征。王京學等[4]對單坡光伏系統進行研究，給出了全風向最不利極小值風壓隨附屬面積變化的衰減曲線。樓文娟等[5]采用風洞試驗和CFD 數值模擬相結合的方法，研究了不同傾角和串列數對地面光伏板體型系數的影響，并給出了陣列光伏板體型系數隨光伏板串列數的變化規律。

本文針對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荷載特性研究，當前我國《建筑結構荷載規范》GB50009-2012 缺乏此類屋面光伏面板結構的設計風荷載建議取值，且以往研究多基于國外規范進行面板風荷載效應研究，給出的設計建議取值難以適應我國規范設計。本文首先研究陣列間距、光伏板傾角對雙坡式光伏板陣列風荷載特性的影響，基于實際結構的支撐和安裝方式，然后基于特定工況給出風荷載設計建議取值擬合公式，為我國實際工程和國家規范修改或補充提供參考。

1 剛性模型測壓風洞試驗概況

1.1 試驗模型

試驗在湖南大學風洞實驗室中進行。試驗模擬實際尺寸為L×B×H=20m×20m×10m 的平屋面商業建筑，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，風洞試驗模型設計圖如圖1 所示。試驗模型縮尺比為1:25，縮尺后的建筑模型尺寸為L×B×H=800mm×800mm×400mm，風洞試驗阻塞率約為3%。將四個光伏面板組成為一個單元，編號為M1-M8，用于后文風荷載特性研究。本文主要研究光伏面板陣列間距、安裝傾角對其風荷載特性的影響。

圖1 風洞試驗模型設計（單位：mm）

1.2 工況安排

表1 風洞試驗工況參數設置（單位：°/mm）

1.3 數據處理

光伏板模型上下表面風壓系數由式（1）、式（2）給出：

其中Cpu（i,t）、Cpl（i,t）分別為上下表面測點i 的風壓系數時程，Pu（i,t）、Pl（i,t）分別為試驗時上下表面測點i 的風壓時程，P0為風洞靜壓，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速。

光伏面板測點凈風壓系數由式（3）給出：

Cpn（i,t）為測點i凈風壓系數時程。

光伏面板單元的面積加權風壓系數時程Cf（t）定義如下：

其中Ai為測點的從屬面積，n為面板單元上測點的數目。依次對上述時程進行時間平均可獲得面板單元平均風壓系數Cfp_mean。面板單元極值風壓系數采用峰值因子法計算，峰值因子g 取3.5：

2 陣列面板風荷載影響因素參數分析

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荷載特性。圖2 給出典型面板單元M1 風壓系數隨風向變化的規律。由圖2 可以看出，不同陣列間距的面板單元風壓系數變化規律基本一致，平均風壓系數在-0.8～0.4 范圍內變化，最不利負平均風壓系數出現在30°風向附近；極大值風壓系數在-0.4～0.8 范圍內變化，最不利極大值風壓系數出現在30°風向附近；極小值風壓系數在-1.8～0 范圍內變化，最不利極小值風壓系數在50°風向附近。可以看出，不同陣列間距的面板風荷載分布規律基本一致，而斜風向錐形渦的作用易引起面板最不利極值風吸力。

圖2 在不同陣列間距下M1 面板凈風壓系數隨風向角變化圖

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壓系數，最不利極小值風壓系數隨足尺陣列間距變化規律，以及設計公式擬合曲線。對于最不利極大值風壓系數，面板單元M1、M3 的最不利極大值風壓系數隨著陣列間距的增加而減少；面板單元M2、M6 的最不利極大值風壓系數在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壓系數在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壓系數在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。最不利極大值風壓系數易出現在前排面板區域，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壓系數及其包絡值、擬合值

對于最不利極小值風壓系數，M1、M2 面板單元最不利極小值風壓系數在0.5～0.75m 與陣列間距呈負相關，在0.75～1m之間呈正相關，陣列間距的增大會減小錐形渦的破壞，使得面板極值風吸力增大；處于背風側M3、M4 面板單元最不利極小值風壓系數的絕對值在0.5～1m 間距范圍內逐漸增大，但增大的幅值較小；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減小而極值風吸力增大，隨著陣列間距進一步增大會致使其處于尾流區，從而會減小其極值風吸力。最不利極小值風壓的面板出現在前排區域，M1、M2 相比于其他面板易出現最不利極小值風壓系數。

同樣，將陣列間距轉化為足尺尺寸，式（6）（7）中給出不同間距下，最不利極大值、最不利極小值風壓系數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安裝的一個重要的參數，也是其風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荷載特性。圖4 給出了典型面板單元M1 風壓系數隨風向變化的規律。從圖中可以看出，不同安裝傾角的面板單元的變化規律基本一致，平均風壓系數在0.3～-0.8 范圍內變化，最不利負平均風壓系數均出現在320°風向附近，最不利正平均風壓系數均出現在100°風向附近；極大值風壓系數在-0.4～0.8 范圍內變化，最不利極大值風壓系數均出現在70°和310°附近；極小值風壓系數在-1.6～0范圍內變化，最不利極小值風壓系數出現在300°～350°風向范圍內，M1面板最不利極小值風壓系數與傾角變化并不一致。因此，不同安裝傾角對面板風荷載的影響程度不同，但其風荷載隨風向變化的規律基本不變，垂直風向面板的傾角越大而受到的風吸力越小，斜風向仍然對不同傾角工況的面板風荷載起控制性作用。

圖4 不同傾斜角下M1 面板凈風壓系數隨風向角變化圖

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壓系數，最不利極大值風壓系數，最不利極小值風壓系數隨傾角變化規律。對于最不利極大值風壓系數，面板的安裝傾角對于極大值風壓系數的影響較為明顯，面板單元M2、M5、M7、M8 傾角越大，最不利極大值風壓系數越大；M6 面板單元在20°和30°的時候最不利極大值風壓系數相差較小，10°～20°傾角越大，極大值風壓系數越大；M1、M3、M4面板單元10°～20°內傾角越大，極大值風壓系數越大，20°～30°內傾角越大，極大值風壓系數越小。總體上來說屋面前緣面板極大值風壓系數在10°～20°與傾角為正相關，20°～30°內為負相關；屋面中間行面板的極大值風壓系數隨安裝傾角最大為最大。對于最不利極小值風壓系數，M1、M8面板單元極小值風壓系數在10°～30°內隨傾角增加先變小后變大；M2、M5 面板單元極小值風壓系數在10°～30°內隨傾角增加先變大后變小；M3、M6、M7 面板單元極小值風壓系數在10°～30°內隨傾角的增加而變小，但是M3 面板單元的變化幅度較小；M4 面板單元極小值風壓系數在10°～30°內隨傾角的增加而變大。所以，屋面前緣面板最不利極值風吸力較大，受錐形渦的影響，數值隨傾角非線性變化，幅度在15%以內，而屋面中間行面板所受到的極值風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壓系數及其包絡值、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、極小值風壓系數的包絡擬合公式：

其中，為光伏面板安裝傾角。

3 結論

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

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

（2）陣列中的前排面板最不利極值風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減小中間行面板受到的遮擋效應，其極值風吸力受遮擋效應和面板位置的影響較明顯。

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