來源：小樹洞談光伏支架

引導(dǎo)語

? ? ? ? 我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往會(huì)使用很多國際通用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不例外。在大部分情況下，這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范幫助我們解決了許多現(xiàn)實(shí)的難題，引導(dǎo)工程師走向正確的設(shè)計(jì)路線上。但是我們也要警惕，世上并不存在完美的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，他們或多或少都有一些缺陷和漏洞。

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? ? ? ? 因此，我們?cè)谑褂眠@類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的時(shí)候，也要擦亮眼睛，辯證地對(duì)待他們。這次小樹洞就來好好檢查下那些針對(duì)組件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，他們到底有什么陷阱和漏洞在等著我們呢？

目錄：

1. 別忘了“壓強(qiáng)系數(shù)”

2.?風(fēng)壓是不均勻的

3. 風(fēng)壓是動(dòng)態(tài)的

4.?組件如何獲得其真實(shí)性能

文章內(nèi)為了表示方便

以下標(biāo)準(zhǔn)都采用其編號(hào)進(jìn)行敘述

別忘了“壓強(qiáng)系數(shù)”

? ? ? ? 我們通過上一篇文章，了解了2400Pa的由來，IEC的初衷是要求組件能夠抵抗130km/h的臺(tái)風(fēng)。愿望是美好的，但是現(xiàn)實(shí)是殘酷的。假如組件通過了2400Pa的測(cè)試，就能抵擋13級(jí)臺(tái)風(fēng)，那么就不會(huì)出現(xiàn)那么多被風(fēng)摧毀的光伏電站了。

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?2017年的颶風(fēng)Irma

摧毀了美屬維京群島的一個(gè)光伏電站

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所以問題究竟出在哪里呢？

IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了組件2400Pa的計(jì)算方式：

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?IEC?61215定義的2400Pa計(jì)算方法

? ? ? ? 實(shí)際上我們?cè)谟?jì)算組件上的風(fēng)壓時(shí)，采用的都是當(dāng)?shù)貒业慕ㄖ奢d規(guī)范，大部分的規(guī)范都是采用諸如以下的公式進(jìn)行風(fēng)壓的計(jì)算。

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?風(fēng)荷載計(jì)算基本公式

2400Pa僅為其中一部分

? ? ? ? 我們可以發(fā)現(xiàn)，2400Pa的計(jì)算僅僅考慮了風(fēng)速本身的壓力，其只是上面公式的一部分，而忽視了一個(gè)很重要的參數(shù)：壓強(qiáng)系數(shù)。

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? ? ? ? 不同形狀的結(jié)構(gòu)在相同風(fēng)速下，往往會(huì)產(chǎn)生不同的壓強(qiáng)，比如在相同風(fēng)速下，放置在0度時(shí)的組件風(fēng)壓要遠(yuǎn)小于45度時(shí)的風(fēng)壓。

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?隨著角度的減小

空氣流動(dòng)受到的阻力減小

組件上的風(fēng)壓也會(huì)降低

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?在組件上的風(fēng)壓(藍(lán)色實(shí)線和虛線)

0度時(shí)大約為45度的一半

（來源：IFI Wind Consultant）

?相同風(fēng)速下

45度時(shí)和0度時(shí)的風(fēng)壓對(duì)比

? ? ? ? 風(fēng)在吹組件的時(shí)候，會(huì)在組件的正面產(chǎn)生壓力。當(dāng)風(fēng)略過組件后，會(huì)在組件背面產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致組件背面產(chǎn)生更大的吸力。這兩部分力（正面的壓力，背面的吸力）相互作用在一起后，就對(duì)組件產(chǎn)生了風(fēng)壓，因此風(fēng)壓所導(dǎo)致的壓強(qiáng)系數(shù)在很多情況下，往往都大于1.0。

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?跟蹤器受風(fēng)時(shí)的氣流速度云圖

（來源：RWDI）

?跟蹤器在受風(fēng)時(shí)的壓強(qiáng)

是風(fēng)壓力和風(fēng)吸力的綜合作用結(jié)果

所以，我們可以判定，IEC 61215要求的2400Pa風(fēng)壓是嚴(yán)重偏低的。

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風(fēng)壓是不均勻的

? ? ? ? 我們從前面的討論中可以發(fā)現(xiàn)，組件上的風(fēng)壓是不均勻的。在討論組件測(cè)試的方式前，我們先來看下在組件上可能產(chǎn)生的兩種極端風(fēng)壓情況：

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?兩種不同類型的風(fēng)荷載工況

如上圖所示，風(fēng)壓在組件上可能產(chǎn)生這兩種情況：

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• CASE A：風(fēng)壓近似均勻的分布在組件上，并且組件風(fēng)壓1等分時(shí)較大。

• CASE B：風(fēng)壓在組件局部區(qū)域較大，并且組件多等分時(shí)的極值較大。

? ? ? ? 那么大家覺得CASE A和CASE B，哪一種情況對(duì)于組件的危害更大呢？我們?cè)跍y(cè)試組件的時(shí)候是選擇哪一種情況呢？

? ? ? ? 當(dāng)我們對(duì)照本系列開篇：翻譯翻譯，什么叫組件“機(jī)械荷載測(cè)試” | 組件為什么要做“機(jī)械荷載測(cè)試”？中介紹的組件失效模式，就能發(fā)現(xiàn)：

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• CASE A對(duì)組件中部區(qū)域產(chǎn)生較大的風(fēng)壓，容易使組件玻璃被壓潰

• CASE B對(duì)組件端部區(qū)域產(chǎn)生較大的風(fēng)壓，容易使組件邊框被折斷

?組件結(jié)構(gòu)破壞的幾種形式

? ? ? ? ?因此，在組件測(cè)試的時(shí)候，需要同時(shí)考慮CASE A和CASE B。

? ? ? ? ?但是實(shí)際上，IEC標(biāo)準(zhǔn)僅僅考慮了CASE A這種情況，而忽視了CASE B。

? ? ? ? ?熟悉IEC 61215的朋友應(yīng)該知道，該標(biāo)準(zhǔn)在對(duì)組件的機(jī)械荷載測(cè)試時(shí)，采用的是一種“均布荷載”的方式。也就是在組件上均勻放置相同重量的沙袋，這樣使組件的每一處都是相同的壓力。

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?MQT16靜態(tài)機(jī)械荷載測(cè)試

沙袋被均勻地放置在組件上

? ? ? ? 很顯然，這種“均布荷載”的方式，并不能代表實(shí)際的風(fēng)壓。因?yàn)轱L(fēng)在流經(jīng)組件的時(shí)候，在組件上產(chǎn)生的壓力都是“不均勻”的。這使組件表面的局部風(fēng)壓大小并不相等。

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?在以45度的情況舉例

組件上的風(fēng)壓系數(shù)并不是均勻相等的

? ? ? ? 如果按照IEC 61215的“均勻荷載”最大的理論，那么我們應(yīng)該選擇上面整體風(fēng)壓（組件風(fēng)壓1等分）最大的那個(gè)工況，也就是CASE A工況，在組件上均勻布置與1等分相似力的沙袋，然后測(cè)試組件是否能抵抗住這些力。

? ? ? ? 但是這樣選擇的話就忽略了局部風(fēng)壓最大的情況。實(shí)際上局部風(fēng)壓過大的CASE B工況，才是大部分組件在戶外受損的主要原因。

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?盡管CASE B的整體風(fēng)壓更低

但是它會(huì)對(duì)組件邊框產(chǎn)生極大的彎矩

? ? ? ? 從CASE B的圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，當(dāng)計(jì)算考慮的面積越大，這個(gè)面積里面的極大壓強(qiáng)系數(shù)值就會(huì)被那些小的壓強(qiáng)系數(shù)所“平均化”，CASE B組件的4等分極大值（如下圖數(shù)值4），明顯比其1等分（如下圖數(shù)值2.5）要大許多。

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?計(jì)算考慮的長度

從25%L，50%L到100%L逐漸變大

壓強(qiáng)系數(shù)從4，3.5到2.5逐漸變小

? ? ? ? 這就好比一個(gè)班級(jí)的平均分?jǐn)?shù)，都是小于班級(jí)排名第一的分?jǐn)?shù)，倒數(shù)第一往往都是拖后腿的。

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? ? ? ? 因此計(jì)算考慮的面積越大，壓強(qiáng)系數(shù)則越小。這也是為什么計(jì)算組件風(fēng)壓的壓強(qiáng)系數(shù)，都會(huì)遠(yuǎn)大于支架設(shè)計(jì)所采用的壓強(qiáng)系數(shù)。所以千萬不可使用支架的壓強(qiáng)系數(shù)來設(shè)計(jì)組件，這樣計(jì)算出來的組件風(fēng)壓會(huì)很小。

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?組件的“有效面積”比支架單跨小

因此“最大組件風(fēng)壓”比“最大單跨風(fēng)壓”要大

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? ? ? ? 實(shí)際上，IEC的專家們也意識(shí)到了風(fēng)壓的不均勻性，目前IEC 61215和IEC 61730正在考慮加入不均勻風(fēng)壓測(cè)試的內(nèi)容，我們等等看IEC的專家們?cè)趺唇鉀Q這個(gè)問題吧。

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風(fēng)壓是動(dòng)態(tài)的

? ? ? ? 風(fēng)荷載本身就是一種動(dòng)態(tài)的荷載，它不是恒定不變的，而是會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。

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?支架上受到的風(fēng)壓并不是時(shí)刻均值的

相鄰之間的區(qū)域風(fēng)壓也不會(huì)相同

(來源：CPP)

? ? ? ? 這種動(dòng)態(tài)的荷載，如果作用到剛性不足的結(jié)構(gòu)上后，就會(huì)與結(jié)構(gòu)相互產(chǎn)生力的耦合，從而增加更大的力。我們稱這種力的放大效果為“風(fēng)致共振”。

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?虎門大橋的豎彎風(fēng)致共振

? ? ? ? 我們?cè)谠O(shè)計(jì)光伏電站結(jié)構(gòu)的時(shí)候，往往把重心放在了支架結(jié)構(gòu)上。對(duì)于跟蹤器來說，最容易出現(xiàn)的是“扭轉(zhuǎn)風(fēng)致共振”，這項(xiàng)研究在近兩年各個(gè)頭部跟蹤器企業(yè)的大力推動(dòng)下，成果非常顯著，大家對(duì)如何避免“扭轉(zhuǎn)風(fēng)致共振”已經(jīng)輕車熟路了。

?跟蹤器的扭轉(zhuǎn)變形模態(tài)分析

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?跟蹤器的扭轉(zhuǎn)風(fēng)致共振CFD仿真

（來源：RWDI）

? ? ? ? 可是當(dāng)“扭轉(zhuǎn)風(fēng)致共振”被控制住后，另一個(gè)“隱形殺手”卻慢慢浮出水面，這一次它的主要目標(biāo)并不是支架本身，而是組件。

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? ? ? ? 這個(gè)殺手也是風(fēng)致共振家族的一員，稱為“豎彎風(fēng)致共振”。這種豎彎風(fēng)致共振，就好像風(fēng)壓不間斷地對(duì)組件施加壓力，使組件上的變形越來越大，荷載能量越積越多，直到組件變形過大而被破壞。

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?這樣玩過的朋友舉手

人的力量不斷地施加到橋上

導(dǎo)致橋的變形越來越大

?跟蹤器的豎彎變形模態(tài)分析

風(fēng)荷載也會(huì)對(duì)組件施加動(dòng)態(tài)的荷載

? ? ? ? 相比較“扭轉(zhuǎn)風(fēng)致共振”影響的是跟蹤器主軸的扭轉(zhuǎn)力矩?！柏Q彎風(fēng)致共振”則增大了垂直于組件的壓強(qiáng)。在當(dāng)跟蹤器大角度?？康臅r(shí)候，這種風(fēng)壓的增大效果尤其顯著。當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，結(jié)構(gòu)開始發(fā)生有規(guī)律的震蕩，風(fēng)壓就像擺錘一樣，不間斷地壓到組件上，結(jié)構(gòu)越晃越嚴(yán)重，風(fēng)壓越吹越大，組件上的壓強(qiáng)則成倍增加。

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? ? ? ? 從結(jié)構(gòu)角度來看，有以下幾個(gè)因素影響“豎彎風(fēng)致共振”的放大效應(yīng)：

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• 大風(fēng)保護(hù)角度越大，豎彎共振效應(yīng)越大

• 主軸抗彎能力越差，豎彎共振效應(yīng)越大

• 主軸豎彎阻尼比越小，豎彎共振效應(yīng)越大

• 立柱跨距越大，豎彎共振效應(yīng)越大
  

• 組件越重，豎彎共振效應(yīng)越大

• 組件弦長越長，豎彎共振效應(yīng)越大

• 風(fēng)速越大，豎彎共振效應(yīng)越大
  

?外圍組件上的豎彎風(fēng)致共振風(fēng)壓

最大為靜態(tài)風(fēng)壓的1.6倍

如果考慮通常5%的阻尼比

最大也有1.2倍

? ? ? ? 我們通過一些實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在組件上的風(fēng)壓力往往會(huì)使組件產(chǎn)生2倍的重力加速度。

?跟蹤器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試獲得的能量頻譜曲線

可見大部分針對(duì)組件動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載的高能量

集中在3~8Hz的范圍內(nèi)

（來源：NEXTracker）

組件如何獲得其真實(shí)性能

? ? ? ? 了解IEC 61215和IEC TS 62782的朋友可能會(huì)注意到，在這些標(biāo)準(zhǔn)里面包含了一項(xiàng)“動(dòng)態(tài)”測(cè)試，也就是MQT20，動(dòng)態(tài)機(jī)械荷載測(cè)試(Dynamic Mechanical Loading Test)。盡管這項(xiàng)測(cè)試冠以“動(dòng)態(tài)”之名，但是和我們前面所談的“動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載”以及“豎彎風(fēng)致共振”是完全不同的概念。

? ? ? ? 根據(jù)IEC 61215-2的解釋，動(dòng)態(tài)機(jī)械荷載測(cè)試，針對(duì)的是組件在組裝過程中產(chǎn)生的低強(qiáng)度機(jī)械應(yīng)力變化。實(shí)際上這個(gè)測(cè)試既沒有考慮風(fēng)荷載的不均勻性，也沒有考慮到結(jié)構(gòu)的“豎彎風(fēng)致共振”問題。

?動(dòng)態(tài)機(jī)械荷載測(cè)試（MQT20）的目的

?動(dòng)態(tài)機(jī)械荷載測(cè)試（MQT20）

（來源：EuroTech）

? ? ? ? 那么如何來對(duì)組件的動(dòng)態(tài)抵抗性能進(jìn)行評(píng)估呢，我們可以從“外部荷載測(cè)試”和“內(nèi)部性能測(cè)試”兩方面來分析。

? ? ? ? 外部荷載測(cè)試，指的就是要搞清楚施加在組件上的力、壓強(qiáng)等信息，對(duì)于風(fēng)荷載來說就是進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，得到安裝在支架上組件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)系數(shù)。

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? ? ? ? 內(nèi)部性能測(cè)試，就是要測(cè)試獲得組件自身的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型，比如振型、阻尼、頻率等等信息。這種信息往往可以通過“力錘激勵(lì)測(cè)試”的方式來獲得。

?組件安裝在跟蹤器上進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試

（來源：Arctech）

? ? ? ? 風(fēng)洞測(cè)試我們已經(jīng)非常熟悉了，下面簡(jiǎn)單介紹下力錘激勵(lì)測(cè)試。

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? ? ? ? 力錘激勵(lì)測(cè)試是一種經(jīng)典（試驗(yàn)）模態(tài)分析，一句話概括其工作原理就是：通過測(cè)試獲得數(shù)據(jù)，再利用快速傅里葉變換這類數(shù)學(xué)方法來獲得頻響函數(shù)，然后依靠頻響函數(shù)就能得到組件結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)。它往往會(huì)和有限元分析同時(shí)進(jìn)行，利用力錘激勵(lì)測(cè)試的結(jié)果來校準(zhǔn)有限元模態(tài)分析的輸入?yún)?shù)。

測(cè)試設(shè)備主要由三部分組成：

• 模態(tài)力錘，記錄敲擊力，激勵(lì)物體產(chǎn)生振動(dòng)和變形。

• 加速度傳感器，獲得物體振動(dòng)的數(shù)據(jù)

• 數(shù)據(jù)采集器，采集和分析測(cè)試數(shù)據(jù)，得到測(cè)試結(jié)果
  
  

?兩種力錘激勵(lì)測(cè)試的方法

（來源：Crystal Instruments）

? ? ? ? 最后小樹洞想提醒大家的是，組件上的風(fēng)壓并不是完全由組件自身決定的，合理設(shè)計(jì)光伏支架對(duì)于降低組件風(fēng)壓非常關(guān)鍵。