平屋面双坡板式光伏阵列风荷载特性

庄圣成，李寿科，刘敏

（1.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.重庆大学土木工程学院，重庆 400044）

0 引言

太阳能光伏面板以阵列布置的方式广泛安装于建筑屋面，用于发电。风荷载是光伏面板支架系统结构设计的控制性荷载[1]。对于以单坡形式安装于屋面的平板式光伏面板，李寿科等[2]研究了不同的面板放置方式及参数对其风荷载特性的影响。余香林等[3]研究了面板风荷载分布及其概率密度特征。王京学等[4]对单坡光伏系统进行研究，给出了全风向最不利极小值风压随附属面积变化的衰减曲线。楼文娟等[5]采用风洞试验和CFD 数值模拟相结合的方法，研究了不同倾角和串列数对地面光伏板体型系数的影响，并给出了阵列光伏板体型系数随光伏板串列数的变化规律。

本文针对一种在平屋面上采用双坡方式布置的屋面光伏阵列开展风荷载特性研究，当前我国《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 缺乏此类屋面光伏面板结构的设计风荷载建议取值，且以往研究多基于国外规范进行面板风荷载效应研究，给出的设计建议取值难以适应我国规范设计。本文首先研究阵列间距、光伏板倾角对双坡式光伏板阵列风荷载特性的影响，基于实际结构的支撑和安装方式，然后基于特定工况给出风荷载设计建议取值拟合公式，为我国实际工程和国家规范修改或补充提供参考。

1 刚性模型测压风洞试验概况

1.1 试验模型

试验在湖南大学风洞实验室中进行。试验模拟实际尺寸为L×B×H=20m×20m×10m 的平屋面商业建筑，屋面放置双坡式的光伏面板阵列。单块面板足尺平面尺寸为2m×1m，风洞试验模型设计图如图1 所示。试验模型缩尺比为1:25，缩尺后的建筑模型尺寸为L×B×H=800mm×800mm×400mm，风洞试验阻塞率约为3%。将四个光伏面板组成为一个单元，编号为M1-M8，用于后文风荷载特性研究。本文主要研究光伏面板阵列间距、安装倾角对其风荷载特性的影响。

图1 风洞试验模型设计（单位：mm）

1.2 工况安排

表1 风洞试验工况参数设置（单位：°/mm）

1.3 数据处理

光伏板模型上下表面风压系数由式（1）、式（2）给出：

其中Cpu（i,t）、Cpl（i,t）分别为上下表面测点i 的风压系数时程，Pu（i,t）、Pl（i,t）分别为试验时上下表面测点i 的风压时程，P0为风洞静压，ρ为空气密度，取ρ=1.225 kg/m3，uh为参考高度—屋面高度处的平均风速。

光伏面板测点净风压系数由式（3）给出：

Cpn（i,t）为测点i净风压系数时程。

光伏面板单元的面积加权风压系数时程Cf（t）定义如下：

其中Ai为测点的从属面积，n为面板单元上测点的数目。依次对上述时程进行时间平均可获得面板单元平均风压系数Cfp_mean。面板单元极值风压系数采用峰值因子法计算，峰值因子g 取3.5：

2 阵列面板风荷载影响因素参数分析

2.1 阵列间距

选取工况2、3、4 研究不同阵列间距下的面板单元风荷载特性。图2 给出典型面板单元M1 风压系数随风向变化的规律。由图2 可以看出，不同阵列间距的面板单元风压系数变化规律基本一致，平均风压系数在-0.8～0.4 范围内变化，最不利负平均风压系数出现在30°风向附近；极大值风压系数在-0.4～0.8 范围内变化，最不利极大值风压系数出现在30°风向附近；极小值风压系数在-1.8～0 范围内变化，最不利极小值风压系数在50°风向附近。可以看出，不同阵列间距的面板风荷载分布规律基本一致，而斜风向锥形涡的作用易引起面板最不利极值风吸力。

图2 在不同阵列间距下M1 面板净风压系数随风向角变化图

将模型缩尺间距换算为足尺尺寸，图3 给出了M1～M8所有面板单元的最不利极大值风压系数，最不利极小值风压系数随足尺阵列间距变化规律，以及设计公式拟合曲线。对于最不利极大值风压系数，面板单元M1、M3 的最不利极大值风压系数随着阵列间距的增加而减少；面板单元M2、M6 的最不利极大值风压系数在0.5～0.75m 之间随着阵列间距的增加而减少，在0.75～1m 之间随着阵列间距的增加而增加；M4 面板单元最不利极大值风压系数在0.5～1m 之间随着阵列间距的增加而增加；M5、M7、M8 面板单元最不利极大值风压系数在0.5～0.75m 之间随着阵列间距的增加而增加，在0.75～1m 之间随着阵列间距的增加而减少。最不利极大值风压系数易出现在前排面板区域，M1 尤为明显。

图3 不同阵列间距下面板最不利极大和极小风压系数及其包络值、拟合值

对于最不利极小值风压系数，M1、M2 面板单元最不利极小值风压系数在0.5～0.75m 与阵列间距呈负相关，在0.75～1m之间呈正相关，阵列间距的增大会减小锥形涡的破坏，使得面板极值风吸力增大；处于背风侧M3、M4 面板单元最不利极小值风压系数的绝对值在0.5～1m 间距范围内逐渐增大，但增大的幅值较小；处于中间行的M5～M8 面板单元受前排面板的遮挡，随着阵列间距的增大遮挡效应减小而极值风吸力增大，随着阵列间距进一步增大会致使其处于尾流区，从而会减小其极值风吸力。最不利极小值风压的面板出现在前排区域，M1、M2 相比于其他面板易出现最不利极小值风压系数。

同样，将阵列间距转化为足尺尺寸，式（6）（7）中给出不同间距下，最不利极大值、最不利极小值风压系数随阵列间距变化的拟合公式。

其中，d 为阵列行间距。

2.2 面板安装倾角

面板安装倾角是光伏板系统安装的一个重要的参数，也是其风荷载特性的重要影响因素。选取工况1、工况2、工况5 研究不同面板安装倾角下的面板风荷载特性。图4 给出了典型面板单元M1 风压系数随风向变化的规律。从图中可以看出，不同安装倾角的面板单元的变化规律基本一致，平均风压系数在0.3～-0.8 范围内变化，最不利负平均风压系数均出现在320°风向附近，最不利正平均风压系数均出现在100°风向附近；极大值风压系数在-0.4～0.8 范围内变化，最不利极大值风压系数均出现在70°和310°附近；极小值风压系数在-1.6～0范围内变化，最不利极小值风压系数出现在300°～350°风向范围内，M1面板最不利极小值风压系数与倾角变化并不一致。因此，不同安装倾角对面板风荷载的影响程度不同，但其风荷载随风向变化的规律基本不变，垂直风向面板的倾角越大而受到的风吸力越小，斜风向仍然对不同倾角工况的面板风荷载起控制性作用。

图4 不同倾斜角下M1 面板净风压系数随风向角变化图

图5 给出了M1～M8 面板单元，以及所有面板中最不利面板的最不利净平均风压系数，最不利极大值风压系数，最不利极小值风压系数随倾角变化规律。对于最不利极大值风压系数，面板的安装倾角对于极大值风压系数的影响较为明显，面板单元M2、M5、M7、M8 倾角越大，最不利极大值风压系数越大；M6 面板单元在20°和30°的时候最不利极大值风压系数相差较小，10°～20°倾角越大，极大值风压系数越大；M1、M3、M4面板单元10°～20°内倾角越大，极大值风压系数越大，20°～30°内倾角越大，极大值风压系数越小。总体上来说屋面前缘面板极大值风压系数在10°～20°与倾角为正相关，20°～30°内为负相关；屋面中间行面板的极大值风压系数随安装倾角最大为最大。对于最不利极小值风压系数，M1、M8面板单元极小值风压系数在10°～30°内随倾角增加先变小后变大；M2、M5 面板单元极小值风压系数在10°～30°内随倾角增加先变大后变小；M3、M6、M7 面板单元极小值风压系数在10°～30°内随倾角的增加而变小，但是M3 面板单元的变化幅度较小；M4 面板单元极小值风压系数在10°～30°内随倾角的增加而变大。所以，屋面前缘面板最不利极值风吸力较大，受锥形涡的影响，数值随倾角非线性变化，幅度在15%以内，而屋面中间行面板所受到的极值风吸力随着面板倾角的增大而减小。

图5 不同倾角下面板最不利极大和极小风压系数及其包络值、拟合值

式（8）（9）给出了所有面板在不同的安装倾角下，最不利极大值、极小值风压系数的包络拟合公式：

其中，为光伏面板安装倾角。

3 结论

本文主要研究平屋面双坡板式光伏面板阵列的风荷载特性，分析阵列间距，面板安装倾角因素对风荷载特性的影响，得出以下结论：

（1）平屋面双坡式光伏面板的不利风荷载易出现在阵列前两排，边缘面板单元的不利风向发生在斜风向，中间面板单元的不利风向发生在垂直风向。

（2）阵列中的前排面板最不利极值风吸力随阵列间距的增大而增大，而阵列间距一定幅度的增大会减小中间行面板受到的遮挡效应，其极值风吸力受遮挡效应和面板位置的影响较明显。

（3）在安装倾角10°～30°范围内，斜风向仍然对不同倾角工况的面板风荷载起控制性作用，屋面前缘面板的最不利极值风吸力随倾角非线性变化，幅度在15%以内，而屋面中间行面板所受到的极值风吸力随着面板安装倾角的增大而减小。