风荷载作用下光伏支架稳定性研究

端位移均值 U1 增大，最终造成光 伏支架两端的位移风振系数大于
中部。并且随着控制角度增大，风
振系数同时增大。由此可得，随着 光伏支架运营使用期间控制角度
（3阶）
增加，位移风振系数逐渐增大，但
总体变化不明显。由此可知，在实际施工中应采取措施，使
光伏支架受风荷载作用下的风振系数保持在采样点 4~8 的
wk1=CwqAw wk2=βzμsμzw0
（4） （5）
2.3 光伏支架受荷模态分析
利用 Midas 有限元模拟软件对一组连续安装的光伏支架
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和面板进行模拟分析，主要分析在不同风 荷载作用下，光伏支架的位移变形和抗倾 覆稳定性。光伏支架使用材料为 Q235 钢 材，其密度 ρ 为 7850kg/m3，弹性模量 E 为 206GPa，泊松比 μ 为 0.3。支架采用梁单 元，共计 98 个支架部件单元。光伏发电面 板材料弹性模量 E 为 72GPa，泊松比 μ 为 0.2，密度 ρ 为 2500kg/m3，光伏面板采用板 单元，共计 60 个板单元。光伏支架简化受 力模型如图 2 所示。
进而导致光伏支架结构风毁 [3]。 现阶段对光伏支架结构风振响应的研究主要采用理论
分析方法、有限元模拟分析法和风洞试验法 [4]。风振响应研 究表明，当试验风速较高时，模型出现近似的等幅扭转振动 且扭转振动的振幅随风速增加而增加。但当风速稳定时，振 幅不会发散，与有明显突发颤振临界点的“硬振”相对而言， 该振动状态被称为“软振”。
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风荷载作用下光伏支架稳定性研究
吕 露 刘正龙 李贻友 李圣谦 彭翰林 （中国葛洲坝集团装备工业有限公司，湖北 武汉 430040）
摘 要 ：固定可调式光伏支架系统对风荷载比较敏感，所受风荷载是设计中的主要控制荷载。在风力的作用下
光伏板会产生振动，甚至发生共振，造成光伏板折断或跟踪器损坏。基于此，本文对光伏面板上风荷载的分布形
2.2 基于梯形分布的风载计算
由于使用不同风荷载分布模型计算出的风荷载取值存
在差异，根据前文分析可知，光伏板上端与下端风荷载不同， 上端与下端之间过渡均匀，大致呈梯形分布 [6]。基于此，本
文将梯形荷载分布分解为作用于光伏支架上光伏面板表面
的矩形荷载 W1 和三角形荷载 W2，作用于光伏支架上面板的 梯形分布风荷载如公式（4）、公式（5）所示。
由于光伏支架在不同时期的运行角度 不同，支架结构的刚度和质量分布也随之 发生变化，因此风荷载作用下的受力特性 存在差异。基于此，本文的模态分析将光 伏支架运营期间的控制角度 58°和 22°作为 研究对象，来探究光伏支架在风荷载作用 下的受力特性。模态振型也呈现出对称分 布规律，主要是由支架结构的对称性导致 的，分别如图 3、图 4 所示。在不同控制角 度下，光伏支架振型较相似，其中第一阶 模态为整体沿 Y 轴位移，第二阶模态为沿 X 轴位移并绕 Y 轴发生扭转，第三、四阶模 态均呈现出不同程度的扭转趋势，第四阶 模态中光伏支架局部变形增大。
作为主要迎风面，光伏发电面板主要承受风荷载作用， 再通过光伏面板下方檩条将荷载分量传递给主梁、立柱。光 伏支架受风荷载作用发生位移的表现形式有 2 种，一是风荷 载使立柱产生弯曲变形，导致与立柱相连接的主梁产生牵引 位移，二是光伏支架部件发生的局部位移变形。当风荷载加 载到不同运行角度的光伏发电面板上时，檩条上向下的力会 使绕主梁轴线旋转的趋势有所相同。选取光伏支架 2 种不同 运行角度，即 22°、58°的工况进行分析，得出光伏支架各节 点（1#~4# 为檩条节点、5#~8# 主梁节点和 9~14# 为立柱节 点）位移变化曲线，如图 6 所示。在 2 种运行角度下，光伏 支架整体的位移变化规律一致，均存在檩条和主梁上发生的 位移量远大于立柱的情况，并且檩条和主梁上各位置位移差 异较大，立柱上位移分布较均匀。当运行角度为 22°时，檩 条最大位移量为 37.2mm，主梁最大位移为 35.1mm，立柱位 移为 4mm~5mm。当运行角度为 58°时，檩条最大位移量为 58.9mm，主梁最大位移为 55.5mm，立柱位移为 7mm~10mm。 原因是檩条和主梁构件形式使其韧性较强，吸收的振动能量 较大，因此檩条和主梁构件自身变形也较大。
文献标志码 ：A
光伏发电系统的大范围推广促进了光伏设备的成熟与 完善，但也有更多问题需要工程师的重视。在风力的作用下， 光伏支架的光伏板会发生振动，甚至共振，造成光伏板折断 或跟踪器损坏。基于此，本文分析了国内、外风荷载计算的 规范和经验公式，得出光伏板的风载特性。再利用有限元软 件分析不同风向角工况下光伏支架的位移变形情况、受力情 况和抗倾覆稳定性，并以此为依据指导光伏支架安装施工。
（2阶）
图 3 控制角度为 22°时的自振模态
（4阶）
（2阶）
（4阶）
图 4 控制角度为 58°时的自振模态
状态，即在 22°运行角度下，支架风振系数为 1.9 左右 ；在 58°运行角度下，支架风振系数为 2.4 左右。
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3.2 风振响应分析
速在高度上的分布 ；Gf 为阵风影响系数 ；I 为用途系数。
1.2 风荷载振动响应分析
理论上，根据结构风振发生形式，可将光伏支架风振分 为涡振、驰振、颤振和抖振 4 种类型 [2]。随着作用于结构上 的风荷载增大，结构抗振总阻尼由正值变为负值，结构无法 抵消风荷载气流反馈的能量，导致结构振动幅度逐渐加大，
1 光伏支架风载响应研究现状
2 光伏支架稳定性模拟分析
1.1 风荷载分布特性分析
2.1 光伏支架表面风载分布
太阳能光伏板风荷载梯形分布是阶梯形分布的细化，承
认了风压分布的不均匀性，即光伏板上的从风压上端到下端 呈均匀过渡，更符合实际风压分布 [1]。风荷载计算的理论研
究是基于空气动力学原理构建的数学方程，这种经验和规律
式（2）所示。
wk=βzμsμzw0
（2）
式中 ：βz 为风振系数 ；μs 为风荷载体形系数 ；μz 为风压高度
变化系数 ；w0 为基本风压。
日本设计规范《太阳能光伏发电系统的设计与施工》假
定风压均匀分布，可用于光伏设备的风压计算过程如公式
（3）所示。
w=0.6CwV02ErGf IAw
（3）
式中 ：Cw 为风力系数 ；Aw 为受风面积 ；V0 为风速 ；Er 为风
分别选取控制角度为 22°、58°
（3阶）
分析模型上的 12 个点位进行分析，
得出如图 5 所示的风振系数变化规
律，即当角度为 22°时，样本点位
处风振系数为 1.76~2.19 ；当角度
为 58°时，样本点位处风振系数为
2.34~2.83。空间相关性会导致光伏 支架两端发生扭转，使光伏支架两
（1阶）
式进行了分析，并确定出最合理的风荷载计算方式，再通过有限元模拟将风荷载施加到光伏支架不同运行角度
（22°、58°）的模型上，分析风荷载作用下光伏支架的风振效应，判断光伏支架的稳定性，并以此为依据指导
实际施工。
关键词 ：光伏发电 ；支架稳定性 ；风荷载 ；风振响应 ；稳定性分析 ；有限元分析
中图分类号 ：TM 615
参考文献 [1] 侯一凡 . 跟踪式光伏支架风载特性及抗风性能研究 [D]. 杭 州 ：浙江科技学院，2022. [2] 项海帆 . 现代桥梁抗风理论与实践 [M]. 北京 ：人民交通出 版社，2005. [3] 许福友，陈艾荣，张哲，等 . 确定桥梁模型颤振临界风速 的实用方法 [J]. 振动与冲击，2008，27（12）：97-100. [4] 杨政 . 单层悬索光伏支架力学性能研究及局部优化分析 [D]. 长沙 ：湖南大学，2022. [5] 李青婷 . 跟踪式光伏结构风荷载特性及颤振稳定性研究 [D]. 长沙 ：中南大学，2022. [6] 高凌飞 . 悬挑式脚手架抗风性能及风振响应研究 [D]. 重 庆 ：重庆大学，2021.
光伏支架受风荷载影响面主要集中于光伏发电面板，光 伏板的流场大致可分为气流未与光伏板接触前的位移区 [5]、 气流流过光伏板两侧时产生的分离区、气流在光伏板背面形 成漩涡的空腔区以及气流流过空腔区后由能量损失形成的 尾流区。当光伏板处于不同工况下的高度角时，光伏板的受 风面积不同，光伏板周围的流速也不同，从而使光伏板承受 的风荷载不同。风作用于 60°高度角模型时，迎风面下部受压 力较大且向边缘处逐级递减 ；风作用于 120°高度角模型时， 模型迎风面上部受压力较大且沿着光伏板短轴依次减弱，并 呈对称分布。通过分析可得不同风向角和高度角下的平均风 压系数，如图 1 所示。从图 1 可以看出，在 0°和 180°的正负 风向角下，光伏板体形系数绝对值随高度角增加不断增大， 但并非呈线性变化。因此计算结构风荷载时，需要注意光伏 板倾角的变化。当高度角变化范围处于 10° ~45°时，风压体 形系数大致呈线性变化，风荷载计算可根据公式（1）取值 计算。
4 结论
本文模拟分析了光伏支架在风荷载作用下的效应，并结 合实际工程中光伏支架的具体施工措施，得到以下结论。1）
在 22°、58°这 2 种不同运行角度下，光伏支架两端风振
系数高于中部，端部风振系数增幅分别为 12.3%、10.7%。为 提高光伏支架整体稳定性，在实际施工中应对一组光伏支架 两端进行二次加固稳定，降低位移均值，使 22°运行角度下 的支架风振系数为 1.8 左右，58°运行角度下的支架风振系数 为 2.4 左右。2）光伏支架主要受荷面为光伏发电面板。受风 荷载影响时，光伏支架会在 Y-Z 平面发生扭转倾向和位移。 当控制角度增大时，面板受荷载面积增大，发生扭转倾向和 位移的趋势也同时增大。因此在实际施工过程中，应顺迎风 面对光伏支架主梁进行抗扭转加固，并对光伏面板与主梁连 接部位进行二次加固。
总结出来的理论公式适用于简单的流体分析，可以通过简单
计算得出结果。现阶段光伏支架风荷载计算如下。
《光伏支架结构设计规程》指导光伏支架风压计算，如
公式（1）所示。
wk=βzμs1μzw0
（1）
式中 ：βz 为风振系数 ；μs1 为风荷载体形系数 ；μz 为风压高度
变化系数 ；w0 为基本风压。
《建筑结构荷载规范》中规定，光伏设备的风荷载如公
3 光伏支架风振效应分析
图 1 风压体形系数变化 图 2 光伏支架简化受力模型
3.1 风振系数分析
光伏支架风振系数为支架结
构最大位移与平均位移的比值，可
用来反应支架结构风振响应、振幅
（1阶）
等情况，如公式（6）所示。
β = U1 U2
（6）
式中 ：β 为风振系数 ；U1 为位移极
值 ；U2 为平均位移值。
图 5 光伏支架风振系数
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（a）运行控制角度 22°
图 6 光伏支架节点位移
（b）运行控制角度 58°