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在光伏電站項目中，采用跟蹤支架可比固定支架提升25%左右的發(fā)電量，這一顯著優(yōu)勢使其在歐美地區(qū)成為光伏電站的主流選擇。在發(fā)電量提升的背后，也蘊含著復(fù)雜而專業(yè)的跟蹤支架技術(shù)。如果按照固定支架的理念來設(shè)計和評估跟蹤支架，后果將是災(zāi)難性的。

在不同廠家推出的跟蹤支架方案中，如果誰在可靠性上鉆了空子，就能在成本上出現(xiàn)較大差異，從而以低價吸引眼球�？癸L(fēng)性能正是跟蹤支架是否可靠的關(guān)鍵點。本文將全面解析各廠家在風(fēng)荷載計算、結(jié)構(gòu)校核和振動控制上的差異點，幫助讀者了解和甄別安全可靠的跟蹤支架所具備的技術(shù)要點。

一、 風(fēng)荷載計算風(fēng)險：“規(guī)范派”在系統(tǒng)設(shè)計上產(chǎn)生的“短板效應(yīng)”

風(fēng)荷載計算數(shù)據(jù)是跟蹤支架項目設(shè)計中非常重要的技術(shù)參數(shù)。風(fēng)荷載計算可分為基于相關(guān)荷載規(guī)范中的系數(shù)進行計算的“規(guī)范派”和基于風(fēng)洞測試的系數(shù)進行計算的“風(fēng)洞派”兩個流派。

其中，“風(fēng)洞派”的方法是最科學(xué)合理的，但其研究代價過高，且會帶來某些零部件成本顯著上升，往往不被一些“取巧”廠家所采用。風(fēng)洞派的設(shè)計流程應(yīng)包括以下幾個步驟（見圖1）：（1）通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗獲取靜態(tài)及動態(tài)風(fēng)荷載系數(shù)；（2）基于項目設(shè)計輸入，按照相關(guān)荷載規(guī)范規(guī)定的方法計算風(fēng)荷載設(shè)計值及其與其他荷載的組合；（3）按照相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的準(zhǔn)則進行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)校核。另外，“風(fēng)洞派”會在風(fēng)洞中測試得到產(chǎn)品的氣彈臨界風(fēng)速，在項目設(shè)計中與設(shè)計風(fēng)速進行比較校核，并制定科學(xué)合理的大風(fēng)保護控制策略，從而防止出現(xiàn)過大的結(jié)構(gòu)振動幅度，這一點是“規(guī)范派”無法做到的。

圖1 基于風(fēng)洞試驗的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

“規(guī)范派”并非基于科學(xué)的風(fēng)洞試驗計算風(fēng)荷載，而是選用了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》或《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中對于體型系數(shù)（與靜態(tài)系數(shù)作用類同）和風(fēng)振系數(shù)（與動態(tài)系數(shù)作用類同）的建議。需要注意的是，上述標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定本質(zhì)上來源于建筑結(jié)構(gòu)或針對框架式固定支架，并未充分考慮單排立柱支撐的跟蹤支架結(jié)構(gòu)體系的特殊性。例如，荷載規(guī)范中的體型系數(shù)對支架局部區(qū)域風(fēng)荷載的時空脈動特性考慮不足，僅為均勻分布或簡單的階梯狀分布形式，無法充分準(zhǔn)確地描述風(fēng)壓在組件表面的不均勻分布，這對于受扭控制的跟蹤支架結(jié)構(gòu)體系會造成嚴(yán)重的不安全設(shè)計。同時該系數(shù)也僅反映了二維特性，并未考慮360度全風(fēng)向以及支架陣列干擾/遮擋效應(yīng)的影響，因此無法包絡(luò)所有最不利工況，也無法對陣列做合理劃分。另外，荷載規(guī)范建議的風(fēng)振系數(shù)主要基于以彎曲模態(tài)主導(dǎo)的豎向懸臂結(jié)構(gòu)，如高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)。而跟蹤支架結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，不同構(gòu)件受力特性差異顯著，如主梁受扭轉(zhuǎn)和彎曲多階模態(tài)控制（見圖2）。與“風(fēng)洞派”相比，“規(guī)范派”會導(dǎo)致跟蹤支架系統(tǒng)中不同部件的安全性不均衡，在系統(tǒng)設(shè)計上產(chǎn)生“短板效應(yīng)”。

圖2 跟蹤支架主梁扭轉(zhuǎn)及彎曲模態(tài)

相比之下，“風(fēng)洞派”可利用細(xì)密布置的測壓點位以準(zhǔn)確捕捉不均勻風(fēng)壓，利用可轉(zhuǎn)動的多排支架陣列模型充分模擬各個來流風(fēng)向同時考慮陣列的干擾效應(yīng)（如圖3所示），以獲取可真實反映結(jié)構(gòu)特性的靜態(tài)風(fēng)荷載系數(shù)。將風(fēng)洞試驗測得的風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)動力特性相結(jié)合，利用隨機振動分析可獲得不同結(jié)構(gòu)件相應(yīng)的動態(tài)風(fēng)荷載系數(shù)，從而得到更加準(zhǔn)確的等效靜力風(fēng)荷載�！耙�(guī)范派”的風(fēng)荷載模式無法包絡(luò)復(fù)雜系統(tǒng)中所有零部件的極值風(fēng)荷載和響應(yīng)，尤其對于受扭構(gòu)件考慮的風(fēng)荷載驗證不足。

圖3 剛性模型測壓實驗

圖4給出了風(fēng)洞試驗與荷載規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載系數(shù)的對比細(xì)節(jié)。總的來說，當(dāng)前荷載規(guī)范主要基于經(jīng)驗統(tǒng)計值，考慮因素粗略且取值激進，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計會存在較大風(fēng)險；而風(fēng)洞試驗得到的結(jié)果更加接近實際情況，考慮因素全面且取值精確可靠，可大幅降低結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)險，避免系統(tǒng)中因單個零部件設(shè)計不足導(dǎo)致“短板效應(yīng)”。

圖4 風(fēng)洞試驗與荷載規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載系數(shù)對比

二． 結(jié)構(gòu)校核：國標(biāo)下的技術(shù)風(fēng)險

不同國家設(shè)計規(guī)范對不同構(gòu)件強度及穩(wěn)定性校核方法的規(guī)定存在較大區(qū)別，尤其是對于受彎扭耦合作用的主梁設(shè)計。圖5對比了中國、美國及歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中主梁的校核準(zhǔn)則（由于剪力的影響一般較小，因此表中未列剪力組合）。

圖5 不同國家設(shè)計規(guī)范對于跟蹤支架主梁設(shè)計校核的差異

可以看出，我國規(guī)范僅將主梁按照受彎構(gòu)件設(shè)計，這主要是因為規(guī)范針對的是以受彎為主的鋼框架建筑結(jié)構(gòu)體系，并未涉及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時，我國規(guī)范建議因盡量避免構(gòu)件受扭，當(dāng)不可避免時，建議參考國外標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。相比之下，歐洲規(guī)范可考慮構(gòu)件單獨受彎和單獨受扭設(shè)計，而僅有美國規(guī)范可考慮構(gòu)件彎扭耦合作用進行設(shè)計。因此，從合理性上來看，僅有美國規(guī)范適用于跟蹤支架主梁的設(shè)計校核，如果采用國標(biāo)設(shè)計主梁將因忽略起控制作用的扭矩效應(yīng)而導(dǎo)致巨大風(fēng)險，如圖6基于不同規(guī)范校核主梁所得到的應(yīng)力比（荷載效應(yīng)/構(gòu)件抗力）結(jié)果所示。

圖6 不同國家設(shè)計規(guī)范校核主梁結(jié)果對比

三、振動控制：風(fēng)致振動會嚴(yán)重破壞跟蹤支架

跟蹤支架屬輕柔結(jié)構(gòu)，極易在風(fēng)作用下發(fā)生抖振、渦振、顫振和馳振等一系列風(fēng)致振動現(xiàn)象，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強度破壞、變形過大和氣彈失穩(wěn)而失效。其中，顫振、馳振和大幅渦振一般歸結(jié)為氣動穩(wěn)定性問題，可以通過保證氣彈臨界風(fēng)速高于設(shè)計風(fēng)速，以避免跟蹤支架發(fā)生氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象。抖振和小幅渦振為限幅振動，一般基于等效靜力風(fēng)荷載理論加以考慮，它是一種將考慮結(jié)構(gòu)風(fēng)振的動力學(xué)設(shè)計問題等效處理為靜力設(shè)計問題的方法，也即通常所說的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，將其作為靜力施加到結(jié)構(gòu)上，得到的極值響應(yīng)與平均響應(yīng)、背景響應(yīng)和共振響應(yīng)三者組合等效，由此校核結(jié)構(gòu)構(gòu)件及各連接節(jié)點的強度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。振動控制問題一方面要防止結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅度風(fēng)致振動，另一方面要充分考慮小幅振動引起的額外荷載效應(yīng)。

四、總結(jié)

在風(fēng)荷載計算、結(jié)構(gòu)校核和振動控制中采用標(biāo)準(zhǔn)的差別，不僅會造成支架成本的差異，更影響支架結(jié)構(gòu)的安全性。一味追求跟蹤支架的低價會給項目帶來巨大的安全隱患。這也是近年來跟蹤支架風(fēng)災(zāi)事故的主要原因。如2017年6月，青海地區(qū)一陣大風(fēng)吹過，某光伏電站中多組平單軸跟蹤系統(tǒng)應(yīng)聲倒地，樁基礎(chǔ)被連根拔起。再如2022年11月，新疆某光伏項目近百兆瓦光伏方陣被全部吹翻。根據(jù)現(xiàn)場視頻來看，大量光伏支架倒塌，光伏組件均有不同程度受損，部分受損嚴(yán)重的光伏組件已經(jīng)完全破碎。

綜上所述，沒有后顧之憂的跟蹤支架，必須依托于更科學(xué)的試驗和數(shù)據(jù)分析等方式確定更為準(zhǔn)確的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。這些要求不僅體現(xiàn)了跟蹤支架產(chǎn)品的技術(shù)含量，同時也對跟蹤支架供應(yīng)商提出了更高的專業(yè)能力和豐富的工程設(shè)計經(jīng)驗的要求。只有具備這些條件，才能確保跟蹤支架產(chǎn)品的性能穩(wěn)定和長期可靠性，讓客戶用的放心。