屋顶安装光伏太阳能板风荷载试验研究

徐 成， 赵金城， 郑洪有， 汪海燕， 杨 菁

（1．中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京 100120；2．华电（北京）热电有限公司，北京 100038）

0 引言

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在能源短缺、环境问题日益严重的今天，成为21世纪最理想的可再生能源，世界各国无不对其给予充分的重视和利用［1］。太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪音、无污染、能源来源可靠永久、不受资源分布限制等优点［2］。

目前国内太阳能光伏电站主要以集中式地面电站为主，这种光伏电站一般占用大面积的土地。随着光伏分布式能源鼓励性政策的出台，分布式光伏发电项目开始涌现。分布式光伏发电项目主要利用建筑物的屋顶，铺设光伏太阳能板，产生的电力就地消纳或并网送出。

为了获得较多的安装容量，分布式光伏发电项目往往在厂房、仓库等屋顶面积较大的建筑物屋面上铺设光伏太阳能板。此类建筑物的结构形式一般为多跨连续门式钢架结构，屋面为压型（复合）钢板屋面或大型屋面板。在此类建筑物屋顶安装光伏太阳能板后（不起倾角，随屋面坡度安装），会增加屋面的荷载，同时会改变屋顶的形状，屋顶形状改变后其所受到的风荷载也可能会有所改变。

《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）和《门式钢架轻型钢结构技术规程》（CECS102—2002）都没有明确给出在门式钢架建筑物屋顶安装太阳能电池板后，屋面的体型系数取值。何健［3］利用计算机数值模拟技术，对太阳能电池板及其支撑结构的风振响应进行了研究分析，得出了位移风振系数分布规律。Bogusz Bienkiewicz［4］和Colleen O’Brien［5］通过风洞试验，分别模拟研究了屋面太阳能电池板在不同安装方式和布置方式下的抗风性能。

依据风洞试验，在太阳能电池板随屋面坡度安装的情况下，研究屋面及太阳能电池板表面的风压系数和体型系数的变化情况。

1 研究概况

1．1 试验模型

本文采用刚性模型测压试验，刚性模型测压试验要求模型在来流作用下不产生明显的变形和振动，同时考虑到模型加工、运输及测压孔制作方便，制作材料需要具备较轻的质量、一定的刚度和良好的可塑性。本次试验模型材料为ABS板，这种材料均具有质量轻、强度高、高温下可塑性好的优点，非常适合制作表面复杂的刚性试验模型，为了消除静电同时起到美化的作用，在模型表面均匀喷涂厚度小于1×10－5m 的油漆。如图1（a）所示为安装在风洞中的试验模型。模型长1．2 m，宽0．8 m，高0．13 m，女儿墙高0．015 m，屋面角度坡度5%，模型建筑平面沿屋脊对称。按1∶100的缩尺比例，太阳能电池板与屋面之间的垂直距离为3 mm（实际工程中，太阳能电池板底面距离屋面垂直距离为300 mm）。

图1 试验模型

1．2 测点布置

模型中太阳能电池板阵列在屋面的布置方式以屋脊中心点中心对称，如图1（a）中所示。在屋顶表面布置单面测点，太阳能板上下表面均布置测点。试验风向角0°～360°。

本文研究模型的一部分的荷载情况，图1（b）为模型顶部部分的测点布置图。中线代表屋脊，当来流方向从B到A 时，A 部分在其尾流部分而且中间有屋脊相隔，可以忽略A 部分太阳能板对B 部分的影响，此时B部分的风荷载可以认为是没有光伏太阳板铺设的情况。同理当来流方向为A 到B 时，研究A部分的风荷载，认为此时A 部分为铺设太阳能板后所受风荷载的情况。然后比较两种情况下所受的风荷载。光伏太阳能板上的测点和B部分的测点位置相对应。

1．3 来流条件

试验在石家庄铁道大学STU－1风洞试验室低速段内进行［6］，该风洞是一座串联双试验段回／直流大型多功能边界层风洞（见图2）。

图2 风洞气动平面图

低速试验段宽4．4 m，高3．0m，长24．0m，最大风速大于30．0m／s。高速试验段宽2．2 m，高2 m，长5．0m，最大风速大于80．0m／s。低速试验段流场达到优秀边界层风洞流场标准，高速试验段流场达到优秀工业空气动力学风洞标准。

试验采用刚性模型测压试验，测压管内径0．9 mm，最长测压管长度为700 mm，并采用分布摩擦模型对测压管路信号进行修正［7］。地面粗糙度为B类。以B类地面粗糙度的要求为目标，本次试验采用尖劈和粗糙元被动模拟方法模拟了项目所在地的地表粗糙度特性。试验模拟得到的风场与我国建筑结构荷载规范（2012年版）规定的理论风剖面非常吻合，如图3所示。

图3 平均风速和平均湍流度剖面

2 参数定义

2．1 风压系数定义

采用风压系数描述表面风荷载的分布且风压系数定义为

式中，Cpi，θ为i点在θ 风向角下的风压系数；Pi，θ为测点i在θ 风向角下总压；¯Ps为 参 考 点 静 压 平 均 值；¯Pt，h为 参 考高度h 处总压；ρ为空气密度；¯Vh为参考高度h 处的平均风速。为方便使用，参考点高度取h＝10 m，下文用Cp，mean表示风压系数的均值，用Cp，max表示风压系数正向极值，用Cp，－max表示风压系数负向极值。

2．2 体形系数定义

体型系数可由测点的平均风压系数（或者平均净压系数）计算得到

式中，μi，θ（μni，θ）均称为测点i处的体型系数（或净压体型系数）；Zi为测点i所处的高度；α为地貌粗糙度指数，B类地貌α取0．15。

3 光伏太阳能板对屋顶风荷载分布影响

如图4（a）和图4（b）所示分别为安装光伏太阳能板之后和未安装之前屋顶的风压系数均值等值线图。图中模型全部处于迎风面（风向角0°），但是风压系数为负值，这是因为女儿墙影响了模型表面风压的分布。

图4 风压系数均值等值线图（风向角0°）

图5展示了屋顶安装光伏太阳能板后和未安装之前的风压系数正向极值的分布情况。

如图6（a）和图6（b）所示分别为安装光伏太阳能板之后和未安装之前屋顶的风压系数负向极值的分布情况。

为了更好的描述光伏太阳能板对屋顶风压系数的影响定义如下参数

式中，C 表示偏移系数，包括风压系数均值的偏移系数C（Cp，mean），风压系数正向极值的偏移系数C（Cp，max），风压系数负向极值的偏移系数C（Cp，－max）；CY表示安装光伏太阳能板后屋顶的风荷载；CW表示未安装光伏太阳能板时屋顶风荷载。如图7为风压系数的C 值。

图5 风压系数正向极值分布（风向角0°）

图6 风压系数负向极值分布（风向角0°）

从图7中可以看出，对于风压系数均值而言，安装光伏太阳能板后屋顶风压系数的均值变得更小，也就是说光伏太阳能板使得屋顶风压系数均值的负值变得更大。对于风压系数正向极值和负向极值而言，大部分区域因为安装光伏太阳能板使其变得更小。但总体来说变化幅度都不大。

采用体型系数等值线图来描述屋顶局部体型系数。如图8（a）和图8（b）所示，为安装光伏太阳能板和未安装光伏太阳能板后体型系数的分布情况。

各个测点的体型系数如图9所示。从图9中可以看出，安装光伏太阳能板后屋顶的体型系数分布规律并未发生改变，屋顶仍然表现为负的风吸力，不同位置太阳能板对屋顶体型系数的分布稍有差异，但从最强负的风吸力来看，有太阳能光伏板后，风吸力更强一些，部分测点位置，差别达到25%左右。

因此安装太阳能光伏板后，屋顶的整体风荷载并未发生变化，但是局部体型系数会发生在25%以内的增强。建议在设计时要充分考虑太阳能板对局部体型系数的影响。

图7 风压系数C 值

4 光伏太阳能板上的风荷载分布

如图10所示为光伏太阳能板上体型系数的分布。从分布图上看，光伏太阳能板上的体型系数值很小，且不随着安装位置的变化有明显的差异，综合统计在不同风向角下各个位置的太阳能光伏板体型系数，其值均在正负0．2之间。

图8 体型系数等值线图（风向角0°）

图9 各个测点体型系数

图10 光伏太阳能板体型系数等值线图（风向角0°）

5 结论

试验数据表明，铺设光伏太阳能板后，屋面各个区域风荷载值与未安装光伏太阳能板的对应区域相差不大，即安装光伏太阳能板后，整体风荷载未发生明显变化，但最强风吸力有小幅度的增强，局部区域可达到25%。安装于屋面的光伏太阳能板上的体型系数很小，取值在正负0．2之间。

［1］石定寰．中国新能源和可再生能源发展纲要（l996－2010）［J］．太阳能，1995（3）：2－4．

［2］杨金焕，葛 亮，谈蓓月，等．太阳能光伏发电的应用［J］．上海电力，2006（4）：355－361．

［3］何健．光伏组件及支撑结构动力分析研究（框架及立柱式一体化屋面）［D］．杭州：浙江工业大学，2012．

［4］Bogusz Bienkiewicz，Munehito Endo．Wind Considerrations for loose－laid and photovotaic roofing systems［C］／／Structures Congress 2009．Reston，VA：ASCE，2009：1－10．

［5］Collen O’Brien，David E Neff，Bogusz Bienkiewicz，et al．Optiization of wind resistance of photovoltaic roofing system［C］／／Structures 2001．Reston，VA：ASCE，2001：1－8．

［6］金新阳，王建，王国砚，等．GB50009—2012建筑结构荷载规范［S］．北京．中国建筑工业出版社，2012．

［7］蔡益燕，陈绍番，沈祖炎，等．CECS 102—2002门式钢架轻型钢结构技术规程［S］．北京．中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会，中国建筑标准设计研究所：2002．