引導語
項目現(xiàn)場環(huán)境情況復雜，支架要對項目進行適配性設(shè)計，但是很多工程師往往忽略了組件的項目適配性問題。
不同地點的風雪荷載有所不同，對于組件的抗壓能力要求也會不一樣。組件在實驗室中都會通過機械荷載測試，來評估組件的抗壓能力，那么我們?nèi)绾问褂眠@個機械荷載測試的結(jié)果，來分析組件的項目匹配性呢？
目錄：
1. 兩種荷載:“測試荷載”和“設(shè)計荷載”
2.?安全系數(shù) r_m
3. 兩種狀態(tài):“SLS/ASD”和“ULS/LRFD”
4.?組件測試如何匹配項目要求
文章內(nèi)為了表示方便
以下標準都采用其編號進行敘述
*全文共3602字20圖
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兩種荷載
測試荷載&設(shè)計荷載
上一篇說到，IEC 61215-2是專門針對組件測試的標準，該標準涵蓋了大量的測試項目，這些測試項目被組合成了從A到F不同的“測試序列(Testing Sequences)”。
?組件測試序列
由上可知，“靜態(tài)機械荷載測試”的編號為MQT 16，處于測試序列E中。
這個測試目的是為了定義組件能夠承受的最小靜態(tài)荷載。在測試要求中包含兩種荷載，稱為測試荷載(Test Load)和設(shè)計荷載(Design Load)，我們根據(jù)IEC 61215-2的描述可以得知：
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測試荷載，是組件測試時施加到組件上的實際荷載大小
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設(shè)計荷載，是在測試荷載的基礎(chǔ)上考慮了安全系數(shù)后的荷載大小
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用公式描述即為：
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在很多的組件規(guī)格書或者安裝手冊里面，這兩種荷載往往同時出現(xiàn)。
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?測試荷載和設(shè)計荷載往往同時出現(xiàn)
（來源：First Solar）
但是我們知道，不同的項目地要求的風雪壓荷載不同，那么在設(shè)計實際項目時，我們又該如何使用組件的測試荷載或者設(shè)計荷載呢，他們之間相差的安全系數(shù)又有意義呢？
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安全系數(shù)r_m
要想搞清楚測試荷載和設(shè)計荷載之前，我們需要先理解兩者之間相差的安全系數(shù)的意義。這個安全系數(shù)在IEC里面并沒有詳細說明，不過了解結(jié)構(gòu)設(shè)計的朋友應該知道，在極限狀態(tài)設(shè)計方法中有兩類分項系數(shù)(Partial Factor)，大家也習慣性地稱呼他們?yōu)?/span>安全系數(shù)(Safety Factor)：
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第1類分項系數(shù)：針對荷載施力的安全系數(shù)，考慮荷載的不確定性，比如荷載組合系數(shù)。
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第2類分項系數(shù)：針對結(jié)構(gòu)抗力的安全系數(shù)，考慮材料的不確定性，比如材料安全系數(shù)。
?兩類分項系數(shù)，r_F和r_M
（來源：EN 1990）
巧合的是，在歐標EN1990里面，有個和IEC 61215-2的安全系數(shù)長得一模一樣的分項系數(shù)，而這個r_m就是上面的第二類分項系數(shù)，稱為“材料分項系數(shù)”。
可見，r_m的下小標“m”指的是material(材料)的意思，它是考慮到測試組件與實際量產(chǎn)組件之間的材料差異。因此我們可以判斷，IEC 61215-2用這個安全系數(shù)想表達的含義是：
盡管某一塊組件達到了測試要求，但是這并不代表所有相同型號的組件都能通過測試。因為在生產(chǎn)加工過程中，材料本身的強度性能并不是100%完全一致的，不同組件之間可能存在差異，有可能會出現(xiàn)材料強度更差的情況。
理論上，可以通過對材料進行大量的試驗測試，然后采用統(tǒng)計學的方式對測試結(jié)果進行分析，最后得到該材料的安全系數(shù)。可惜的是，小樹洞并沒有找到光伏組件的這類測試，那么按照IEC 61215-2的說法，r_m取值1.5是否合理呢？
在EN 1990系列里面，對于不同的設(shè)計類別，規(guī)定了不同大小的材料安全系數(shù)。比如：
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?不同設(shè)計類別的分項系數(shù)r_M
（來源：EN 1990）
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我們知道組件本身是由鋁邊框和玻璃兩種材料組成的，不過在EN 1990系列中并沒有針對玻璃的材料安全系數(shù)。由于目前主流光伏玻璃為鋼化玻璃，未來是否會切換成浮法玻璃還未可知，因此小樹洞查找了其他標準中針對這兩類玻璃制品的安全系數(shù)要求：
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?其他標準的玻璃材料分項系數(shù)r_M
浮法玻璃需要的安全系數(shù)更大
從上面的資料可以看出，鋁的材料安全系數(shù)為1.1，鋼化玻璃的材料安全系數(shù)在1.2~1.8之間。這樣看來，在IEC 61215-2中規(guī)定的1.5倍安全系數(shù)，還是可以接受的。
不過需要注意的是，IEC 61215-2對于安全系數(shù)的理解和EN 1990還是存在一些偏差，但是這個偏差不影響我們的使用，這里我們就不多做討論了。
兩種狀態(tài)
SLS/ASD和ULS/LRFD
設(shè)計一款產(chǎn)品的時候，我們往往會考慮到這個產(chǎn)品的兩種情況：
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情況1：在外力作用下，產(chǎn)品一直能正常工作
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情況2：在外力作用下，產(chǎn)品雖然不能正常工作了，但是仍然沒被徹底破壞
而這兩種情況就是我們要講的兩種極限狀態(tài)
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正常使用極限狀態(tài)?SLS
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承載能力極限狀態(tài)?ULS
SLS(Serviceability Limit State)考慮的是諸如破裂(Cracking)和變形(Deformation)這樣的失效情況。ULS(Ultimate Limit State)考慮的則是結(jié)構(gòu)的強度失效情況。
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這兩種極限狀態(tài)的主要不同點，在于荷載組合的方式，以歐標為例：
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?ULS和SLS的部分荷載組合形式
（來源：EN 1990）
SLS和ULS是LSD(Limit State Design)方法的兩種表現(xiàn)形式。LSD是一種比較新穎的設(shè)計方法，目前也被中國國標以及海外的大部分設(shè)計規(guī)范所采用，只是叫法有所不同。在美國和澳大利亞等國家，LSD的ULS也被稱為LRFD(Load and Resistance Factor Design)。
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而早于LSD方法出現(xiàn)之前，還存在另外一種傳統(tǒng)的設(shè)計方式，稱為容許應力法ASD (Allowable Stress?Design)。和SLS類似，ASD方法主要針對的是結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)(工作狀態(tài))，采用一個安全系數(shù)來獲得設(shè)計余量。所以在某些國家也稱為WSD(Working Stress Design)。
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?LRFD和ASD的部分荷載組合形式
（來源：ASCE 7-05）
說了這些亂七八糟的名稱，可能有人都搞糊涂了。別管那么多，大家只要知道：
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SLS/ASD荷載，針對組件的正常使用狀態(tài)，考慮組件能否能正常工作
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ULS/LRFD荷載，針對組件的最終破壞狀態(tài)，考慮組件是否已經(jīng)被破壞
那么接下來的問題就是，測試荷載(Testing Load)和設(shè)計荷載(Design Load)，它們與SLS/ASD以及ULS/LRFD有什么聯(lián)系？
組件測試如何匹配項目要求
根據(jù)上文的解釋，我們來總結(jié)下：
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IEC 61215-2規(guī)定組件本身具有兩類荷載能力：
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測試荷載，為組件測試時施加到組件上的實際荷載大小
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設(shè)計荷載，是在測試荷載的基礎(chǔ)上考慮了安全系數(shù)后的荷載大小
項目設(shè)計時有兩種荷載要求：
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SLS/ASD荷載，針對組件的正常使用狀態(tài)，考慮組件能否能正常工作
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ULS/LRFD荷載，針對組件的最終破壞狀態(tài)，考慮組件是否已經(jīng)被破壞
我們設(shè)計項目時，怎么來判斷組件抗壓能力是否足夠？組件的荷載能力如何匹配項目的荷載要求呢？為了回答這些問題，我們先來看看組件測試到底是在測什么。
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根據(jù)最新2021版的IEC 61215-2，MQT16，機械荷載測試判定是否通過的準則如下：
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測試過程中未檢測到間斷開路故障
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無主要可見的缺陷
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濕漏電流應滿足與初始測量相同的要求
而更早的2005版IEC 61215，對于機械荷載測試的判定還有如下要求：
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最大輸出功率的衰減相比較測試前，不得大于5%
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絕緣電阻應滿足初始時的相同要求
現(xiàn)在大部分廠家對機械荷載測試的判定，往往是將2021版和2005版的要求相互結(jié)合。
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由此可見，根據(jù)IEC 61215-2標準進行的組件“機械荷載測試”，測的是組件的正常使用狀態(tài)，也就是SLS/ASD?？紤]到組件本身的材料不一致性，增加了1.5倍的安全系數(shù)，最終獲得測試荷載。
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我們在考慮組件匹配項目時，通常按照SLS/ASD的荷載組合形式來比較組件的設(shè)計荷載(Design Load)。
不過有的時候，第三方結(jié)構(gòu)工程師在審核組件時，還會要求對組件進行極限機械荷載測試，也就是ULS荷載，出于這樣的考慮，則需要采用ULS荷載來進行組件的機械荷載測試。
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還是舉前一篇文章的例子，我們來看看1.5SLS和ULS這兩種情況下的組件測試荷載大小。
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案例：
已知某地采用美國ASCE 7-05標準查得，50年一遇的風雪壓分別為40m/s和0.8kPa。該地的某一個光伏電站處于開闊區(qū)域，重要性等級較低，地形平整。依據(jù)組件風洞測試結(jié)果，以10m高度、3秒陣風為參考風壓，組件風壓系數(shù)如下圖所示。假如該項目采用1P跟蹤器，大風保護角度為45度，不考慮跟蹤器氣彈角度變化，求該項目組件測試所需達到的壓強值？
?1P跟蹤器組件上的風壓體型系數(shù)
?ULS/LRFD不考慮安全系數(shù)后的測試荷載
最大上揚力3154Pa，最大下壓力2992Pa
?SLS/ASD考慮1.5倍安全系數(shù)后的測試荷載
最大上揚力2957Pa，最大下壓力2655Pa
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至此，我們明白了組件測試的意義，以及如何采用設(shè)計荷載和測試荷載來匹配項目要求的方法。
