Design and Practice of Typhoon Resistance for Supporting Bracket System of PV Power Station

我国结构工程抗风设计所依据的各类结构抗风设计规范中，描述风特性的主要参数，多参考国外同行业规范和局部观测资料，而这些局部资料主要取自中高纬度地区，无法涵盖低纬度地区，尤其是台风频繁影响的广东沿海地区。因此，台风荷载参数的取值显得尤为重要，需要独立分析。^[1]

1）台风荷载取值

我国习惯称形成于26℃以上热带洋面上的热带气旋(Tropical cyclones)为台风，按照其强度，分为六个等级：热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风。其中台风风力为12～13级，底层中心风速32.7 ～41.4 m/s；强台风风力14～15级，底层中心风速41.5 ～50.9 m/s；超强台风风力>16级，底层中心风速风速>51.0 m/s。^[2]

依据《热带气旋等级》（GB/T 19201—2006），台风风速的定义底层中心附近，时距为2 min的最大平均风速(m/s)，而我国《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），将设计风荷载采用是不同重现期场址10 m高度，10 min平均最大风速。若直接采用台风风速作为设计风速，由于台风的观测风速时距短，风荷载将被放大。根据文献3^[3]，按照离海风不同时距风速间的换算关系，依贝努利公式计算，空气密度按照规范取值ρ=1.25 kg/m³，经换算可得到10 min平均风速的换算风压值如表1所示：

对比表1与《建筑结构荷载规范》中50 a一遇基本风压值，当采用台风风速换算的风压值作为结构设计的基本风压时，其风荷载要大于荷载规范取值。考虑到增大设计风压同时会增大建设成本，不利于项目提高项目的收益率，因此通常情况，结合保险公司对光伏电站遭受台风灾害的起赔条件为遭受12级以上的台风，因此选用12级台风换算风压作为设计基本风压。

2）体型系数

根据《光伏电站设计规范》对地面光伏组件风压体型系数统一取值为1.3。而《建筑结构荷载规范》中将迎风面分为上部和下部，根据角度不同及风向不同分别取值，小于10°时上部取±1.3，下部取±0.5；大于30°时上部取±1.4，下部去±0.6；期间插值。《光伏支架结构设计规程》^[4] 对体型系数采取了更为细致的规定，如表2所示：

体型系数	体型β	≤15o	20o	30o	40o	55o
	体型系数µS-1	0.8	0.85	1.0	1.3	1.3
	体型系数µS-2	−0.95	−1.0	−1.3	−1.6	−1.6

Table 2.  Body shape coefficient value

为充分了解光伏方阵体型系数的真实情况，我们采用了缩尺比例1∶4.5的物理模型在风洞试验^[5]进行了模拟。试验按照0°~360°每15°一个风向角，设置 24 个试验风向角；安装倾角以此分别为0°、10°、16°、18°、19°、20°、21°、22°共8个倾角工况。试验模型如图2所示。

Figure 2.  Scale model of wind tunnel test and point distribution of photovoltaic plate

光伏板距离地面0.8 m高度（鱼塘有水）和2.2 m高度（鱼塘无水）时的不同的试验结果如图3所示。从图3可以看出，倾角越小，体型系数越小；上侧光伏板的体型系数大于下侧光伏板；随着安装高度的增加，体型系数有所增大；20°倾角时整体的体型系数约为0.6，16°倾角时整体的体型系数约为0.52。

Figure 3.  Scale model of wind tunnel test and point distribution of photovoltaic plate

对比三本规范的体型系数取值，试验结果与《光伏支架结构设计规程》^[4]的μ_s-1较为接近，比《建筑结构荷载规范》及《光伏电站设计规范》偏小很多。考虑到试验结果并不能代表所有工况，本项目设计拟偏保守取值，按照《光伏电站设计规范》取值设计。同时，在辐射量损失很少的情况下，将年辐射量最大倾角18°降低至16°倾角作为光伏板安装倾角，以降低所受风荷载。

本项目采用大型通用有限元计算分析软件SAP2000，对支架结构进行了模拟计算分析，光伏支架平面及立面布置如图4所示。支架采用Q235B级冷弯薄壁型钢，桩基础采用PHC300A型管桩，桩基嵌固点距离泥面以下1.2 m，出露泥面以上约2.0 m，基本风压取0.68 kPa（按12级台风考虑）；体型系数偏安全取1.3；粗糙度类别按A类地区；其余参数按照规范取值。计算模型如图4所示，结构布置图如图5所示。

Figure 4.  SAP2000 computational model

Figure 5.  Photovoltaic support plan

计算结果显示，支架结构前四阶频率为0.25 s，0.17 s，0.16 s，0.13 s，振动模态如图6所示：

Figure 6.  Fourth order vibration modes

从上图中可以看出，一阶振动模态为纵向平动，二阶振动为横向平动，三阶与四阶模态均为扭转。构件强度计算结果如图7所示，变形计算结果如图8所示。

Figure 7.  Calculation results of stress ratio of support

Figure 8.  Deformation sketch of support

计算结果显示，斜梁最大应力比为0.76，纵向檩条最大应力比为0.91，斜撑最大应力比为0.67，立柱最大应力比为0.288，各构件均满足规范要求；纵向檩条最大变形为6.9 mm，满足规范小于1/250梁跨（14.4 mm）要求；支架顶端水平位移最大值为19 mm，满足规范小于1/60支架高度（50 mm）要求。

轻型钢结构遭受台风荷载时，屋面通常是最薄弱环节，甚至檩条都尚未遭遇严重破坏屋面板就已被掀去。^[6]光伏面板与支架结构构成的体系也与之类似。光伏组件自身承载力较高，一般光伏组件均应满足IEC61215标准中正面5.4 kPa，背面2.4 kPa的承载力要求。但光伏板边框较薄，通常只有1.5~1.8 mm，边框与支架横梁的连接，当光伏组件采用螺栓连接，在台风瞬时极大风速作用下极容易撕裂，造成“飞板”现象；当采用压块连接，由于压块接触面积大，在风吸力作用下，不宜发生边框撕裂，但压块在长期的受风荷载振动中，容易松脱，造成组件连续脱落；因此，结合螺栓安装不宜松脱的优点，采用压块与螺栓共同连接，同时错开在不同位置，对防止台风荷载作用下的组件脱落更为有利。

当组件竖排布置时，支架横梁与组件仅有四个交叉连接点，也即组件只能四点连接，而当组件横向布置时，组件长边与横梁平行，可以采用多点连接（如图9所示），增加连接点的数量后，可有效放止“飞板”现象的发生。

Figure 9.  Photovoltaic board connection sample

项目建成后，自2017年先后经历了13号台风“天鸽”（17级），14号台风“帕卡”（12级）正面在台山登陆，2018年又经历14级台风“山竹”（14级）。在经历台风后，整个光伏区阵列受损较小。损坏主要发生在光伏方阵外围角部，有少数支架立柱发生了南向的倾斜弯曲变形，分析原因主要是由角部局部阵风较大产生的倾覆力所致；同时外排上部少量组件脱落，印证了支架上部所受风荷载较下部较大，脱落原因推断是局部安装未到位所致；此外，个别阵列出现了面板起伏现象，分析原因主要是在风荷载作用下，部分支架抱箍出现了滑移，引起了横梁弯曲变形所致。3种情况分别如图10展示的3张照片所示。

Figure 10.  0 After typhoon " MANGKHUT", the bracket was damaged slightly

本项目自建成后，遭遇2次超过12级以上的台风正面吹袭，并未造成严重损失，支架系统结构设计是比较成功的，设计理念和方法得到了印证，可为实际应用提供指导。

通过本项目的设计与实践检验，可以得出以下结论：

1）光伏电站抗台风设计首先需要确定风荷载的基本风压取值，可根据业主要求，按照台风风速换算风压值进行选取。

2）降低安装倾角，可以有效降低光伏面板风荷载体型系数，提高支架承受风荷载的能力；对于外排边角部的光伏支架应构造上增加构件强度，提高抗台风承载力。

3）加强连接节点，包括采用横排布置方式，同时螺栓加压块组合方式安装，防止光伏组件脱落；增强抱箍的竖向承载力，必要时设置抗滑移构造。

当然抗台风除了电站设计外，还应通过加强日常的巡检，台风前的安全排查，购买工程保险等方式以减少台风灾害损失。