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=βgzμsμzw0式中Wk—风荷载标准值(KN/m )； βgz—高度z 处的风振系数； μs—风荷载体型系数； μz—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 βgz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μs值从表7.3.1查取，但Trina mount 3D10阵列的μs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。μz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 ρ—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