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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，也蘊含著復雜而專業(yè)的跟蹤支架技術。如果按照固定支架的理念來設計和評估跟蹤支架，后果將是災難性的。

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。抗風性能正是跟蹤支架是否可靠的關鍵點。本文將全面解析各廠家在風荷載計算、結構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要點。

一、 風荷載計算風險：“規(guī)范派”在系統(tǒng)設計上產生的“短板效應”

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

其中，“風洞派”的方法是最科學合理的，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。風洞派的設計流程應包括以下幾個步驟（見圖1）：（1）通過剛性模型測壓風洞試驗獲取靜態(tài)及動態(tài)風荷載系數(shù)；（2）基于項目設計輸入，按照相關荷載規(guī)范規(guī)定的方法計算風荷載設計值及其與其他荷載的組合；（3）按照相關結構設計規(guī)范規(guī)定的準則進行力學分析和結構校核。另外，“風洞派”會在風洞中測試得到產品的氣彈臨界風速，在項目設計中與設計風速進行比較校核，并制定科學合理的大風保護控制策略，從而防止出現(xiàn)過大的結構振動幅度，這一點是“規(guī)范派”無法做到的。

圖1 基于風洞試驗的結構設計流程

“規(guī)范派”并非基于科學的風洞試驗計算風荷載，而是選用了《建筑結構荷載規(guī)范》或《光伏支架結構設計規(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，上述標準中的相關規(guī)定本質上來源于建筑結構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構體系的特殊性。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，無法充分準確地描述風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構體系會造成嚴重的不安全設計。同時該系數(shù)也僅反映了二維特性，并未考慮360度全風向以及支架陣列干擾/遮擋效應的影響，因此無法包絡所有最不利工況，也無法對陣列做合理劃分。另外，荷載規(guī)范建議的風振系數(shù)主要基于以彎曲模態(tài)主導的豎向懸臂結構，如高層建筑和高聳結構。而跟蹤支架結構體系復雜，不同構件受力特性差異顯著，如主梁受扭轉和彎曲多階模態(tài)控制（見圖2）。與“風洞派”相比，“規(guī)范派”會導致跟蹤支架系統(tǒng)中不同部件的安全性不均衡，在系統(tǒng)設計上產生“短板效應”。

圖2 跟蹤支架主梁扭轉及彎曲模態(tài)

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

圖3 剛性模型測壓實驗

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

圖4 風洞試驗與荷載規(guī)范規(guī)定的風荷載系數(shù)對比

二． 結構校核：國標下的技術風險

不同國家設計規(guī)范對不同構件強度及穩(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計。圖5對比了中國、美國及歐洲鋼結構設計標準中主梁的校核準則（由于剪力的影響一般較小，因此表中未列剪力組合）。

圖5 不同國家設計規(guī)范對于跟蹤支架主梁設計校核的差異

可以看出，我國規(guī)范僅將主梁按照受彎構件設計，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構體系，并未涉及扭轉效應。同時，我國規(guī)范建議因盡量避免構件受扭，當不可避免時，建議參考國外標準進行設計。相比之下，歐洲規(guī)范可考慮構件單獨受彎和單獨受扭設計，而僅有美國規(guī)范可考慮構件彎扭耦合作用進行設計。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計校核，如果采用國標設計主梁將因忽略起控制作用的扭矩效應而導致巨大風險，如圖6基于不同規(guī)范校核主梁所得到的應力比（荷載效應/構件抗力）結果所示。

圖6 不同國家設計規(guī)范校核主梁結果對比

三、振動控制：風致振動會嚴重破壞跟蹤支架

跟蹤支架屬輕柔結構，極易在風作用下發(fā)生抖振、渦振、顫振和馳振等一系列風致振動現(xiàn)象，由此導致結構出現(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為氣動穩(wěn)定性問題，可以通過保證氣彈臨界風速高于設計風速，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荷載理論加以考慮，它是一種將考慮結構風振的動力學設計問題等效處理為靜力設計問題的方法，也即通常所說的結構風荷載，將其作為靜力施加到結構上，得到的極值響應與平均響應、背景響應和共振響應三者組合等效，由此校核結構構件及各連接節(jié)點的強度、剛度和結構穩(wěn)定性。振動控制問題一方面要防止結構發(fā)生大幅度風致振動，另一方面要充分考慮小幅振動引起的額外荷載效應。

四、總結

在風荷載計算、結構校核和振動控制中采用標準的差別，不僅會造成支架成本的差異，更影響支架結構的安全性。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災事故的主要原因。如2017年6月，青海地區(qū)一陣大風吹過，某光伏電站中多組平單軸跟蹤系統(tǒng)應聲倒地，樁基礎被連根拔起。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，部分受損嚴重的光伏組件已經完全破碎。

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