陕西西安隆基绿能光伏工程有限公司 张超 段晓龙 王建新 710000
摘要：福建沿海地区太阳能资源丰富为了有效利用光资源，开发建设光伏电站有必要研究支架系统结构防台风设计。光伏支架系统的模块化安装是结构设计的重要工作内容，同时支架系统设计参数的选择对项目的安全性和经济性有重大影响。本文以福建沿海光伏电站为例从台风负荷参数、结构系数、结构措施等方面，结合有限元软件数值模拟台风对光伏电站支架系统进行灾后评估。本文将介绍光伏电站支架系统为了抵制台风如何进行结构设计，然后针对“天鸽”（17级）和“山竹”（14级）台风进行模拟正面撞击测试。项目建成后多次发生12级以上的正面台风，台风过后减少了对整个光伏区域阵列的损坏且无重大损失。支撑系统的结构设计比较成功，确定了设计思路和方法并得到了实际应用。
关键词：光伏电站支架系统；台风；钢结构；风洞试验
前言
福建沿海地区拥有丰富的太阳能资源，建设太阳能发电厂可以充分利用太阳能资源并提供清洁的可再生能源。但福建沿海地区又经常遭受台风的自然灾害，太阳能发电厂的结构暴露在外从而受台风影响很大。为了更好的在沿海地区建设光伏电站，有必要根据台风的影响为电站的光伏发电支架系统实施相应的对策。
1风荷载参数
在我国用于结构工程防风设计的各种设计规范中，描述风力特性的主要参数大多参考国外行业标准和当地的观测资料。这些当地数据主要来源于中纬度到高纬度地区，因此无法涵盖经常受到台风影响的福建沿海这些低纬度地区。所以台风载荷参数准确取值尤为重要，需要独立进行分析。
1.1台风荷载取值
《热带气旋等级》GB/T19201-2006中台风的最大风力定义为“热带气旋底层中心附近每2分钟间隔的最大平均风速”。然而《建筑结构荷载规范》GB50009-2012定义基本风速为“按当地空旷平坦地面上10m高度处10分钟平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速”。若将台风风速直接用作设计风速时，由于台风观测风速的时间间隔短，因此风载荷被放大。根据不同时间间隔从海上风速之间的转换关系，假定空气密度为p=1.25kg/m3带入伯努利方程计算，可以获得10分钟平均风速的转换风压值。如表1所示：
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将表1与“建筑结构荷载法则”的50年一遇的基本风压值进行比较，将从台风风速转换而来的风压值用作结构设计的基本风压值。考虑到增加设计风压会增加光伏电站支架成本，从而导致项目盈利能力的降低。
1.2体型系数
以往光伏电站支架系统结构体型系数采用《光伏发电站设计规范》GB50797-2012中相关规定，地面和楼顶支架风荷载的体型系数取1.3。
而在《光伏支架结构设计规程》NB/T10115-2018中，光伏电站支架系统体型系数根据角度和风向进行选取。如果光伏组件安装角度小于15°，则迎风为0.8、背风为-0.95；如果光伏组件安装大于30°，则迎风为1.3、背风为-1.6；规程允许根据实际组件安装角度进行线性插值计算，从而选取更为符合工程实际情况的光伏电站支架系统体型系数。
《光伏支架结构设计规程》NB/T10115-2018光伏电站支架系统，对体型系数采取了更为细致的规定。如表2所示：
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为了充分了解光伏阵列体型系数的实际情况，我们在风洞测试中使用按1：4.5比例的物理模型对其进行了仿真模拟。该测试基于0至360°，每15°设置了24个测试风向角。以及安装倾斜角分别为0°、10°、16°、18°、19°、20°、21°和22°，共有8个倾斜条件。
图1显示了离地面0.8m（池塘中的水）和2.2m（池塘中没有水）的太阳能电池板的不同测试结果。从图1中可以看到倾角角度越大，光伏阵列体型系数越大。上部太阳能板比下部太阳能板具有更大的体型系数，以及安装高度越高体型系数越高。在20°倾斜角处的整体体型系数约为0.6，在16°角处的整体体型系数约为0.52。
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2通用有限元计算分析软件
采用SAP2000对光伏电站支架系统结构进行计算和分析模拟。支架采用Q235B级冷弯薄壁钢制成，桩基选用PHC300A管桩。桩基的锚固端与裸露的泥浆表面之间的距离在泥浆表面以下1.2m，裸露的泥浆厚度约为2.0m。基本风压为0.68kPa（考虑第12台风），安全系数取1.3。地面粗糙度类别属于A类区域，其他参数根据规范获得。
一阶振动为纵向平动，二阶振动为横向平动，三阶与四阶均为扭转。
3组件连接节点
当轻钢结构受到台风荷载时，屋顶通常是最薄弱的环节，在抬起屋顶面板之前，连接檩条都没有受到严重损坏。
此结论同样适用于由光伏面板和钢结构组成的支架系统。光伏组件的负载能力相对要求较高，通常光伏组件必须满足IEC61215标准正面5.4kPa和背面2.4kPa的要求。但是光伏组件边框相对较薄，通常只有1.5-1.8毫米。当采用螺栓固定组件边框与支撑梁连接时，由于台风的瞬时最大风速的作用，它很容易撕裂从而引起“浮板”现象。因此在沿海地区不适合使用螺栓安装光伏组件。当采用压块固定组件的情况下，因为压块的接触面积较大，从而不容易产生组件因吸风而撕裂边框的情况。但是在组件长期承受风荷载振动过程中，压块很容易松动从而导致组件滑落。集合各种组件安装的优点，在光伏矩阵的不同区域采用压块和螺栓的组合连接方式，从而可以防止组件因压块松动导致的滑落现象。
4.台风考验结果
项目完成后光伏电站先后经历了2017年的13号台风“天鸽”（17级）、14号台风“山竹”（12级）以及台风“山竹”（14级）。台风过后整个光伏区域阵列受到的破坏较小，损坏主要发生在太阳能电池阵列的外围角落。一些支柱向南弯曲或变形，分析主要是由于转角处强风引起的倾覆力。同时外围阵列中的一些组件被刮飞，已经确认原因可能是由于支架顶部风荷载大于底部所达致，其余原因可能是部分组件边框安装不牢固。另外一些阵列组件面板破裂，原因分析主要是由于风荷载的作用下梁的弯曲变形引起抱箍打滑，出现了一些支架抱箍位移导致组件玻璃产生局部应力从而导致碎裂。
结论
自项目完成以来我们遇到了两次12级以上的台风，并没有造成任何严重损失。光伏支架系统的结构设计比较成功，确定了今后光伏电站的结构设计思路和方法，为实际光伏应用提供了指导。通过该项目的设计和实际测试，可以得出以下结论：
1）在光伏电站的抗台风设计设计中，首先需要确定风荷载的基本风压值。可以根据所有者的要求以及根据台风风速转换值进行选择。
2）通过减小光伏组件安装倾斜角度，可以有效地减小太阳能电池板的风荷载体型系数，并且可以提高光伏电站的装机容量。为了提高对台风的抵抗力，有必要在外排光伏阵列的边区域处增加支撑点以增加组件的强度。
3）加强包括组件水平放置在内的边框连接节点，并采取安装螺栓与压块的组合的方式以防止太阳能模块掉落。增加箍的正常承载能力，并在必要时安装防滑结构。当然对于光伏电站的抵抗台风的对策除了支架系统结构外，还必须加强日常检查和台风前的安全检查，并购买工程保险以减少因台风灾害造成的损失。
参考文献
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