為充分利用土地，促進清潔能源的推廣，中國政府大力提倡“漁光互補”和“農(nóng)光互補”的太陽能光伏分布形式，柔性支撐太陽能光伏作為分布式能源的重要組成部分，逐漸在污水處理廠、山地、漁塘等區(qū)域得到大面積應用。
柔性支架是由柔性索(鋼絲繩或鋼絞線)、鋼立柱、鋼梁和斜拉索或鋼斜柱組成的支撐體系，其跨度大、柔性大和質量輕的特點決定了風荷載是支架設計的主要荷載。
目前國內(nèi)外對于太陽能光伏風荷載的研究主要集中在傳統(tǒng)固定支架上，對于柔性支撐光伏組件風荷載的研究非常少，小傾角光伏組件風荷載分布規(guī)律和計算公式仍不完善。
目前關于光伏組件風荷載的研究主要包含光伏組件表面的風壓分布規(guī)律，各種安裝參數(shù)對風荷載的影響規(guī)律以及陣列、屋頂和其他應用場景下光伏組件風荷載取值規(guī)律。
光伏組件也常有其他應用場景，如單坡和雙坡光伏車棚，其風荷載與應用的結構類型有關。另外，建筑尺寸、安裝間距等對光伏組件的風荷載也有較明顯的影響，需要在抗風設計中予以重視。
不同于地面固定光伏支架傾角較大，柔性光伏支架受結構體系的限制，其傾角一般較小；光伏組件之間留有一定的縫隙，存在三維流動效應。
因此，各影響因素對柔性支撐光伏組件風荷載的影響規(guī)律仍不明確。
針對柔性支撐光伏組件的以上特點，本文采用剛性模型測壓風洞試驗，研究柔性支撐光伏組件風荷載分布規(guī)律，分析各因素(風向角、傾角、間距比和安裝位置)對光伏組件風荷載的影響，進而完善基于各參數(shù)的光伏組件風荷載計算公式，為柔性光伏支架抗風結構設計提供依據(jù)。
試驗在石家莊鐵道大學風洞實驗室低速試驗段進行，低速試驗段長24m，寬4.4m，高3m。低速試驗段最大風速為30m/s，背景湍流度I≤0.4%?？紤]到光伏組件本身是剛性的，本文僅研究其體型系數(shù)，因此試驗為剛性模型測壓風洞試驗。
為滿足柔性支架和光伏組件的安全，必須考慮風向角對組件風荷載的影響。圖1、圖2分別為單塊和單排(S/L=0)光伏組件整體體型系數(shù)隨風向角的變化。
圖1 單塊光伏組件體型系數(shù)隨風向角的變化
圖2 單排光伏組件體型系數(shù)隨風向角的變化
體型系數(shù)為正表示上表面受風壓力作用，為負表示上表面受風吸力作用。風壓力極大值發(fā)生在風向角α=0°或α=30°附近，風吸力極大值發(fā)生在風向角α=150°或α=180°附近。
綜合圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，單塊和單排(S/L=0)光伏組件整體風吸力大于整體風壓力，即同等迎風面積下，光伏組件下表面迎風所受風荷載大于光伏組件上表面迎風所受風荷載。
在風向角α為150°~180°之間，風荷載體型系數(shù)隨著風向角變化趨勢而減小，風吸力極大值風向角發(fā)生在α=150°或α=180°附近，因此在進行結構設計時要特別注意150°風向角下的風荷載，建議綜合考慮150°和180°這2個風向角，作為結構設計的最不利荷載。
柔性支撐光伏組件傾角較小，通常約為10°。傾角變化改變了光伏組件的迎風面積，圖3和圖4分別為單塊和單排光伏組件整體體型系數(shù)隨傾角的變化。
由圖3可看出，光伏組件風荷載隨著傾角的增大而增加，在較小的傾角范圍(0°~20°)內(nèi)，單塊光伏組件風荷載體型系數(shù)隨著傾角增大呈線性增長；單排光伏組件整體體型系數(shù)隨著傾角增大速率先快(β≤10°)后慢(β≥10°)，尤其是在180°風向角最為明顯，但基本上也呈線性增長，因此光伏組件風荷載對傾角變化比較敏感。
《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》(GB50797—2012)規(guī)定地面和樓頂支架風荷載體型系數(shù)值取1.3。
最新《光伏支架結構設計規(guī)程》(NB/T10115—2018)風荷載體型系數(shù)值與試驗值對比見表1。
《光伏支架結構設計規(guī)程》對于傾角小于15°的光伏組件，風荷載體型系數(shù)均按15°取值，從表1可看出《光伏支架結構設計規(guī)程》風荷載體型系數(shù)取值偏于保守。
表1風荷載體型系數(shù)對比
?間距比對組件風荷載的影響
為分析不利風向角工況下間距比對組件風荷載的影響，圖5給出了α=0°、α=150°和α=180°風向角下整體體型系數(shù)隨間距比的變化，可看出不同傾角光伏組件風荷載體型系數(shù)隨間距比的變化規(guī)律不一致。
當α=0°、β≤10°時，風荷載體型系數(shù)絕對值隨著間距比的增大而逐漸減小，說明風壓隨著間距比的增大而減弱；β=15°時，風荷載體型系數(shù)隨著間距比的增大變化不明顯；β=20°時，風荷載體型系數(shù)隨著間距比的增大而逐漸增大。
當α=150°、β≤15°時，風荷載體型系數(shù)隨著間距比的變化不明顯；β=20°時，風荷載體型系數(shù)絕對值隨著間距比的增大呈先減小后增大的趨勢；可見在風向角α=150°時，對于小傾角柔性支撐光伏組件間距比變化對結構風荷載幾乎沒有影響。
當α=180°、β≤10°時，風荷載體型系數(shù)絕對值隨著間距比的增大均有減小趨勢；β≥15°時，風荷載體型系數(shù)絕對值隨著間距比的增大而逐漸增大。
對比α=0°和α=180°風向角下體型系數(shù)隨間距比的變化規(guī)律可發(fā)現(xiàn)，間距比對0°和180°風向角下結構的風荷載有一定影響，并且不同傾角的光伏組件間距比對其風荷載影響規(guī)律不一致。
圖6為0°風向角下傾角0°~20°不同位置光伏組件風荷載體型系數(shù)隨間距比的變化。
由圖6可看出，表現(xiàn)規(guī)律與整體分析相似，當β≤15°時，光伏組件風荷載體型系數(shù)隨著間距比的增大呈減小趨勢；當β＝20°時，光伏組件風荷載體型系數(shù)隨著間距比的增大呈增大趨勢。
圖7和圖8分別為不同風向角下傾角5°和20°光伏組件迎風面、背風面和整體體型系數(shù)隨間距比的變化。
當β=5°時，迎風面風吸力隨著間距比的增大呈增大趨勢，背風面風吸力隨著間距比的增大呈減小趨勢，隨著間距比的增大整體風荷載表現(xiàn)為在0°和180°風向角下風壓力和風吸力的減小。
當β=20°時，迎風面風荷載隨著間距比的增大變化不明顯，背風面的風吸力隨著間距比的增大而逐漸增大，隨著間距比的增大整體風荷載表現(xiàn)為在0°和180°風向角下風壓力和風吸力的增大。
對比迎風面和背風面風荷載隨間距比的變化趨勢可發(fā)現(xiàn)，背風面對間距比變化的敏感程度大于迎風面。
當間距比不存在時，氣流主要通過光伏組件頂部和底部繞流，隨著間距比的逐漸增大，光伏組件不但存在頂部和底部繞流還存在兩側繞流，這種強烈的三維繞流效應是影響風荷載對間距比敏感性的主要原因。
圖7 體型系數(shù)隨間距比的變化(β=5°)
圖8 體型系數(shù)隨間距比的變化(β=20°)
α=180°是柔性支撐光伏組件風吸力極大值風向角，且《光伏支架結構設計規(guī)程》(NB/T10115—2018)中給出了????? 180°風向角下的體型系數(shù)，比較典型，因此以不利工況α=180°為例，分析間距比變化對風壓分布的影響，圖9和圖10分別為傾角5°和20°時不同間距比下的風壓分布。
為方便觀察風荷載體型系數(shù)隨間距比的變化規(guī)律，圖9中用粗實線標出了-0.5的等值線，可看出，隨著間距比的增大，該等值線逐漸向光伏組件頂部(來流上游方向)移動，頂部和底部的負壓隨著間距比的增大而減弱。
當氣流與光伏組件傾斜方向夾角較小時，來流與組件接近平行，此時流體更容易從光伏組件頂部和底部繞過，三維繞流效應較弱，從而導致風荷載體型系數(shù)隨著間距比的增大而有所減小。
圖10中用粗實線標出了-0.8的等值線，可看出，隨著間距比的增大，該等值線逐漸向光伏組件底部(來流下游方向)移動，頂部和底部的負壓隨著間距比的增大而增強。當氣流與光伏組件傾斜方向夾角較大時，流體從頂部、底部和兩側繞過，三維繞流效應較強，分離流速度更大，從而導致背風面風壓力減小(風吸力增加)，而間距比變化并未改變迎風面風壓力，因此，隨著間距比的增大風吸力逐漸增強。
間距比對光伏組件風荷載的影響主要通過改變背風面氣流流動實現(xiàn)的，這種影響跟組件傾角有很大關系，文獻指出光伏組件風荷載主要由繞流運動引起，間距一定時傾角越大，三維繞流效應越強，背面對風荷載敏感程度越強。
柔性支撐光伏組件最不利風荷載通常發(fā)生在α=150°或α=180°附近，圖11為不同間距比下光伏組件風荷載體型系數(shù)隨安裝位置的變化。
由圖11可看出：對于存在傾角的光伏組件，在180°風向角下單排內(nèi)側位置光伏組件所受風荷載大于邊緣位置光伏組件；在150°風向角下，當傾角較?。é?5°和β=10°）時，要注意單排內(nèi)側位置光伏組件所受風荷載（風吸力大于邊緣位置光伏組件）；當傾角較大（β=15°和β=20°）時，要注意上游光伏組件所受風荷載。
氣流流經(jīng)單排光伏組件時，中間區(qū)域光伏組件兩側繞流受限，加速了頂部和底部的繞流，加速擾流使更多氣流由尾流夾卷進入剪切層，降低背壓，導致中間區(qū)域光伏組件風荷載明顯大于兩側組件風荷載。因此在進行光伏組件結構設計時，要特別注意中間區(qū)域光伏組件所受風荷載。
通過剛性模型測壓風洞試驗，研究風向角、傾角、間距比和安裝位置對柔性支撐光伏組件風荷載的影響規(guī)律，得到以下結論：
1）柔性支撐光伏組件風荷載體型系數(shù)極大值風向角通常發(fā)生在α=150°或α=180°附近，結構風荷載在風向角α=150°比較敏感。風荷載隨著傾角的增大基本呈線性增長，并且結構風荷載對傾角的敏感程度大于其他參數(shù)，因此在進行柔性支架結構設計時要特別注意傾角變化對結構風荷載的影響。
2）不同傾角光伏組件風荷載隨著間距比的變化規(guī)律不一致，傾角較小的光伏組件風荷載隨著間距比的增加而減小，傾角較大的光伏組件風荷載隨著間距比的增加而增大。間距比的變化主要改變了背風面的風速（增強），從而減小了背風面的壓力，背風面風荷載對間距比的敏感程度大于迎風面。
3）中間區(qū)域光伏組件兩側繞流受限，頂部和底部的擾流加速，氣流由尾流夾卷進入剪切層，使剪切層的曲率半徑減小，降低背壓。
4）在小傾角柔性支撐光伏支架的風荷載估算中，需要考慮風向角、傾角、間距比和安裝位置等因素的影響，建議采用本文提出的考慮角系數(shù)和位置系數(shù)修正的風荷載標準值估算公式。
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：柔性支撐光伏組件風荷載影響因素
