单排跟踪式光伏结构风荷载风洞试验研究

殷梅子，邹云峰，李青婷，何旭辉，严磊，韩桂荣

单排跟踪式光伏结构风荷载风洞试验研究

殷梅子1, 2，邹云峰1，李青婷1，何旭辉1，严磊1，韩桂荣3

(1. 中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034；3. 深圳市安泰科能源环保有限公司，广东 深圳 518000)

为正确评估光伏结构的风荷载，采用一种倾角可调的光伏模型进行刚性模型测压风洞试验，研究在不同倾角、风向角下光伏结构的面板风荷载及各关键位置处力矩作用。研究结果表明：风向角和倾角对光伏风荷载影响显著，在0°和180°风向角下，风压大小垂直来流方向均匀分布，沿来流方向绝对值梯度递减分布，在45°和135°风向角时迎风角会产生极大的局部风压系数；整体风压和立柱基底力矩随倾角增大而增大；中心轴力矩在20°~35°倾角最不利，而上、下支撑处力矩系数在20°倾角达到最大值；同等工况下光伏面板下表面迎风时结构更为危险。研究结果可以为跟踪式光伏结构的风荷载设计提供参考，以降低光伏支架成本，并保证光伏结构的正常运行。

光伏结构；风洞试验；风压分布；力矩作用

太阳能日益受到人们的重视，光伏产业随之发展，对于光伏结构，风荷载是其主要设计荷载之一。光伏面板倾角是影响光伏结构风荷载的主要参数，现有研究中，高亮等[1−2]通过风洞试验和数值模拟相结合的方法研究了20°~45°倾角范围内单块光伏结构和光伏列阵的风荷载；李寿科等3−4]研究了10°倾角和41°倾角时光伏面板的风荷载；阮辉等[5]采用数值模拟研究了40°倾角下光伏列阵的风荷载和不同安装间距对光伏阵列风荷载的影响；张大千等[6]通过数值模拟在得到近地面安装光伏阵列25°倾角下的风荷载的基础上，研究了围墙高度及围墙与光伏阵列的距离对光伏阵列风荷载的影响；GONG 等[7−9]采用风洞试验研究了定日镜的表面风压分布及脉动风压的高斯特性；马文勇等[10]根据风洞试验结果提出了均匀分布、梯形分布和风荷载偏心距3种风压分布模型并对应给出风压系数推荐取值；Aly[11]通过风洞试验和数值模拟研究了光伏风荷载并对比了2种方法的优缺点。现有研究和我国光伏发电站设计规范[12]、中国建筑荷载规范[13]、日本光伏结构设计指南(JIS C 8955:2011)[14]、美国ASCE荷载设计规范(ASCE 7-10)[15]和欧洲荷载设计规范(pr EN 1991-1-4: 2004)[16]等光伏结构设计可参考规范大多是针对某一特定倾角或倾角范围对光伏风荷载进行研究或规定。跟踪式光伏结构能够自动进行倾角调节以跟踪太阳方位，大大提高发电效率，成为目前光伏发电发展热点，但是由于倾角变化范围大，超出上述研究和现行规范规定。黄张裕等[17]采用计算流体力学(CFD)方法对跟踪式光伏结构面板进行了风场数值模拟分析，得到了0°和180°风向角下、0°~90°倾角范围内的体型系数，并给出了设计推荐值。此外，已有光伏结构风荷载规定大多假定其表面风压均匀分布，忽略了风荷载的力矩作用，由于大多固定式光伏结构的倾角并不大，风荷载的力矩影响可能较小，但可想而知，当倾角增大时，力矩影响势必增加，故对于倾角范围变化较大的跟踪式光伏结构，有必要研究其关键位置处的力矩作用，且准确了解单排光伏结构风荷载是研究光伏阵列风荷载的基础。为此，本文研发一种能够连续调节倾角的光伏结构风洞试验刚性模型进行风洞试验研究，定义光伏结构关键位置的力矩系数，在0°～60°范围内选取典型倾角，系统考虑倾角和风向角对单排跟踪式光伏结构面板表面风压分布和力矩系数的影响。

1 风洞试验概况

1.1 试验模型

本次研究基于某实际工程中的光伏结构，采用刚性模型测压风洞试验获得光伏结构的风荷载。为保证测试结果精度，在确保试验模型几何相似的基础上，要求模型具有足够的强度及刚度，以保证在试验风速下不发生明显的变形和振动。光伏面板采用有机玻璃和ABS板组合加工而成，下部支撑结构则采用刚度较大的钢材。

为便于调节光伏面板的倾角，设计和加工如图1(a)左侧所示的倾角可连续调节光伏结构模型，模型包括立柱、弧形转动轴和光伏面板3部分，弧形转动轴与光伏面板下表面的上下支撑轴采用焊接，上下支撑轴与光伏面板焊接，转动弧形转动轴可带着光伏面板绕面板中心轴旋转，待将光伏面板旋转到预期倾角后将弧形转动轴与立柱在两者交叉处采用螺栓固定，这样便可通过转动弧形转动轴实现了倾角的连续调节。图1(b)为试验模型图片。

试验在中南大学风洞实验室高速段进行，综合考虑风洞试验段截面尺寸及实际工程中光伏面板的几何尺寸，选定模型几何缩尺比为1:10，模型尺寸为2 000 mm()×394 mm()×50 mm()，光伏中心离地高度=220 mm，上、下支撑轴到中心轴的距离=57 mm。光伏面板布置双面测点，上下表面各120个测点。需要说明的是，为便于模型双层测点的布置，模型厚度稍有增加，但保证模型上表面离地高度与实际一致。由于实际光伏结构长度通常较大，其风荷载基本服从条带假定。

(a) 模型示意图及试验参数定义图(mm)；(b) 试验模型

1.2 数据采集及试验工况

试验在中南大学风洞实验室高速段均匀流场中完成，高速试验段风速在0～94 m/s范围内连续可调，均匀流场中湍流度小于0.3%。本次试验风速为15 m/s，采用的关键风压测量、记录仪器为高频压力扫描阀，采样频率为625 Hz，采样长度为20 000。

倾角定义为光伏面板与来流方向的水平夹角，图1(a)中为光伏面板倾角，为来流风向角。倾角的调节通过转动弧形转动轴来实现，而风向角的调节则通过控制风洞转盘系统来实现。试验工况安排如表1所示。

表1 试验工况表

2 参数定义及计算

其中：P为测点的平均风压；0和¥分别是试验时参考高度处的总压和静压。净风压系数为光伏面板对应上、下测点风压系数之差。约定正压表示压力方向指向光伏面板，负压相反。下文若无特别说明，风压系数均指净风压系数。

则光伏面板的整体风压系数计算如下式：

式中：为测点总数；A为测点代表的面积；为光伏面板总面积。

中心轴力矩系数：

立柱基底力矩系数：

上支撑轴力矩系数：

下支撑轴力矩系数：

图2 力矩示意图

3 平均风压系数试验结果与分析

3.1 风向角对光伏面板平均风压系数的影响

大多数地区光伏面板最佳倾角在20°~50°，故选取中间的35°倾角为例说明风向角对光伏面板风压分布的影响。图3为倾角=35°，风向角=0°，45°，135°和180°时的风压系数分布图。当风向角=0°，180°时，由于结构的对称性，光伏面板风压系数分布表现出明显的对称性。风压系数在垂直来流方向均匀分布，两端略有差异主要由气流绕流造成；在顺风向风压系数绝对值顺着来流方向呈递减规律。从迎风端到背风端，=0°时风压系数绝对值由1.70递减至0.65，=180°时风压系数绝对值由1.85递减至0.56。正是这种风压系数的梯度分布使得光伏面板承受力矩作用。

风向角=45°时，风压系数绝对值最大值出现在迎风角位置，根据Becker等[18]对矩形截面的钝体结构流场分布的可视化研究，这可能是因为随着风向角由垂直方向增大到45°风向角的过程中，光伏背后形成的对称分离涡中靠近来流一侧的迎风角区分离涡逐渐加强而后方角区分离涡逐步减弱，直到45°风向角时后方角区分离涡消失，迎风角区分离涡达到最强，在迎风角区反面形成极大的吸力，使得迎风角区域产生极大的净风压系数正值。=135°时与=45°类似，在迎风角区域产生了极大的净风压系数负值。可以发现，=45°和135°时光伏面板的风压分布也表现出一定顺来流方向风压系数绝对值梯度递减规律。

(a) q=35°，a=0°；(b) q=35°，a=45°；(c) q=35°，a=135°；(d) q=35°，a=180°

试验结果显示，在其他倾角下，光伏面板风压分布规律与35°倾角类似。

3.2 倾角对光伏面板平均风压系数的影响

图4是光伏面板整体风压系数随倾角变化图，可见在4个风向角下，整体风压系数绝对值随着倾角的增大而增大。

图4 整体风压系数随倾角变化图

下面以风向角=0°和=180°为例，从净风压及上下表面的风压分布说明倾角的影响，由图3可知风压系数大致沿方向均匀分布，故在此方向取风压系数平均值，画出在不同的倾角下平均值沿来流方向变化图如图5所示，图中y=(y+0.5)/。

从净风压系数来看，随着倾角的增大，风压系数沿轴方向更为均匀。在风向角=0°时，风压系数沿来流方向递减，且倾角越大，风压系数越大，当倾角增大到60°时，最大风压系数位置由第1排沿来流方向移动到第2排。在邹琼等[19]研究的槽式聚光镜和王莺歌等[20]研究的定日镜中有相似现象，即最大风压系数出现位置会随着倾角的增大而逐渐上移。风向角=180°时，大体规律与=0°时相似，但风压分布略要复杂一些，主要是因为光伏面板下表面的支撑、立柱等结构暴露在来流中造成了气流的分离、绕流和涡旋脱落等。

由图5，迎风面(0°风向角时为上表面、180°风向角时为下表面，背风面与此相反)风压系数随倾角增大递增；背风面当倾角小于35°时，沿轴方向风压分布差异较大，倾角大于等于35°时，由于背风面更大区域处于气流速度变化较小的尾流区中，风压分布更为均匀，故背风面在倾角大于等于35°时风压沿轴方向分布均匀。

当倾角大于8°时，迎风面的风压系数基本为正值，仅在光伏面板下表面迎风时小部分区域出现极小的负值，这主要是由支撑等结构直接暴露在来流中引起的流体的分离造成的；而背风面风压系数基本为负值。且迎风面风压系数随着倾角的增大而增大，背风面的风压系数随倾角变化较小，大致随倾角增大而增大，由整体风压系数(图4)和净风压系数在0°风向角下随着倾角增大而增大，在180°风向角下随倾角增大而减小，即可说明倾角的影响对迎风面更为显著。

需要说明的是，0°倾角时，光伏面板迎风端处出现了较大的负风压系数，尤其是上表面的迎风端。这可能是因为气流在迎风端处出现了较强的分离，而上表面的流体分离更为强烈。

4 平均力矩系数试验结果与分析

光伏面板风压的不均匀分布使得光伏结构各构件承受一定的力矩，且这种不均匀性在不同的风向角和倾角下表现出较大的差异。故本节重点讨论风荷载在光伏面板中心轴、立柱基底和面板上下支撑轴位置处所产生的力矩作用，力矩示意图如图2所示。

4.1 中心轴力矩系数

各个风向角下，中心轴力矩系数随倾角变化如图6所示。由图6可知，中心轴力矩系数与整体风压系数不同，并不随着倾角的增大而增大，而是在20°倾角时有最大系数绝对值。也可看出，斜风较垂直风危险，光伏下表面迎风较上表面迎风危险，最不利工况为=20°，=135°。由各个风向角下横向测点风压系数平均值纵向变化图(图5)，可以发现，倾角越大，风压系数沿着纵向分布越为均匀，由试验结果有在135°风向角，20°~35°倾角时，光伏面板纵向两端测点之间风压系数值差幅尤为显著。可以认为正是纵向各测点之间较大的差幅导致了较大的中心轴力矩。

计算风压合力作用中心的纵坐标如下：

图7 合力作用中心纵坐标随倾角变化图

则绝对值即为合力作用中心与中心轴之间的距离，结果如图7所示。0°和45°风向角下，风压合力作用中心随倾角增大逐渐沿着来流向上移动，135°和180°风向角时，趋势相反。即表明，光伏面板风荷载合力作用中心随倾角增大由迎风端逐渐向中心轴线靠近，即合力的偏心距离随倾角的增大而减小。此现象与气流斜交二维平板的法向合力作用中心随着攻角增大逐渐由迎风端边缘向中心轴线移动的结论相一致。

中心轴力矩的大小一方面取决于风压大小，另一方面取决于风压合力作用中心到中心轴的距离。由于风荷载合力大小随倾角的增大而增大，而合力作用中心偏中心轴距随倾角的增大而减小，故在20°~35°倾角时光伏面板同时有较大的合力和偏中心轴距，这进一步地解释了为什么最大中心轴力矩系数出现在20°~35°倾角。光伏合力作用中心的这种变化趋势使得光伏面板的最不利风压和最不利中心轴力矩不会同时出现，对结构的抗风而言是有利的。

图9 立柱基底力矩力臂随倾角变化图

4.2 立柱基底力矩系数

由式(2)和式(4)计算立柱基底力矩的力臂如式(8)所示：

由式(4)和式(8)可得立柱基底的力矩系数和力矩的力臂结果如图8和图9所示。由图8可知，立柱基底力矩系数随倾角的变化规律与整体风压系数相似，绝对值随着倾角的增大而增大。由图9可知，当倾角不为0°时，立柱基底力矩的力臂大致随着倾角的增大而增大，光伏面板下表面迎风时，力臂明显大于上表面迎风，同时由图4可知，下表面迎风时光伏面板的整体风压系数绝对值也略大于上表面迎风，所以由图8中，下表面迎风时的立柱基底力矩系数绝对值明显大于上表面迎风。

这也说明整体风压系数最不利工况和立柱基底力矩系数的最不利工况一致。当光伏面板承受较大的风压的同时，立柱基底会承受较大的力矩作用，在设计时需要格外注意。

4.3 光伏面板支撑轴力矩系数

光伏面板的支撑轴会承受一定的力矩作用，在实际工程中，上、下支撑轴往往是受风荷载破坏的关键结构，所以有必要讨论上、下支撑轴的风荷载力矩作用。上、下支撑轴的力矩系数计算如式(5)~(6)。

(a) 上支撑轴力矩系数；(b) 下支撑轴力矩系数

试验结果如图10所示。由于结构的对称性，上、下支撑轴的力矩系数值变化规律相似，上支撑轴在光伏面板上表面迎风时较为危险，相应的下支撑轴在光伏面板下表面迎风时较为危险，且最不利力矩系数值接近，即在所有工况下，总有一侧支撑轴承受较大力矩作用。在20°倾角时，有最大力矩系数绝对值0.30，且力矩系数随倾角的继续增大变化较小。

5 结论

1) 光伏面板的风压分布在不同风向角、倾角下差异较大。0°和180°风向角时，风压系数在垂直来流方向均匀分布，沿来流方向绝对值呈递减分布；45°和135°斜风作用下，光伏面板的迎风角区域会出现极大的局部风压系数，设计时应特别关注。光伏结构的整体净风压系数随倾角的增大而增大，且倾角对光伏面板的迎风面的影响更为显著。

2) 光伏结构立柱基底受到较大的力矩作用，且随倾角的增大而增大，在立柱设计时应该格外注意。上、下支撑轴相较中心轴更为危险，在倾角为20°时，有最大力矩系数−0.30。

3) 综合平均风压系数和平均力矩系数试验结果的分析和讨论可知，在同等工况下，相对于上表面迎风，光伏面板在下表面迎风时承受更大的面板风压、中心轴力矩和立柱基底力矩。即光伏面板下表面迎风时光伏结构更为危险。

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Wind tunnel test study on wind load of single row tracking photovoltaic structure

YIN Meizi1, 2, ZOU Yunfeng1, LI Qingting1, HE Xuhui1, YAN Lei1, HAN Guirong3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Railway Bridge Science Research Institute, Ltd., Wuhan 430034, China;3. ATEC Energy & Environment Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

To correctly evaluate the wind load of photovoltaic structure, a wind tunnel test of rigid model was carried out with a tilt-adjustable photovoltaic model. The wind loads of the photovoltaic structures and the moments at various key positions under different wind directions and inclinations were studied. The results show that the inclination and wind direction have a significant influence on the photovoltaic wind load. At 0° and 180° wind direction, wind pressure perpendicular to flow direction were distributed evenly, diminishing absolute value gradient distribution along the flow direction, At 45° and 135° wind direction, a large local wind pressure coefficient is generated at the windward angle. The overall wind pressure and base moment of column increase with the increase of the inclination; The moment of the center axis is the most unfavorable when the inclination is 20°~35°, while the moment coefficient at the upper and lower support has a maximum value at 20°. Under the same condition, the photovoltaic structure is more dangerous when the lower surface of the photovoltaic panel is facing the wind. This study provides reference for wind load design of tracking photovoltaic structure, so as to reduce the cost of photovoltaic support and ensure the normal operation of photovoltaic structure.

photovoltaic structure; wind tunnel test; wind pressure distribution; moment loading

TU312+.1；V211.7

A

1672 − 7029(2020)09 − 2354 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20191016

2019−11−18

中南大学自由探索创新项目(502211923)

邹云峰(1984−)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，从事结构抗风研究；E−mail：yunfengzou@csu.edu.cn

(编辑 阳丽霞)