收藏丨女儿墙对平屋面阵列太阳能光伏板风荷载的影响

摘 要：风荷载是太阳能光伏支架设计中最主要的荷载之一，目前对于屋顶上的太阳能光伏支架取值尚没有统一的标准。通过刚性模型测压风洞试验的方法，对不同女儿墙高度下平屋面阵列太阳能光伏板上风荷载分布情况进行分析。

试验结果表明：对于平屋面上太阳能光伏板，无女儿墙时，光伏板的整体体型系数小于地面单组太阳能光伏板的整体体型系数，距离屋面边缘越近所承受的风荷载越大；女儿墙可以有效减小平屋面光伏板所受到的风吸力，其风荷载取值可以考虑女儿墙引起的折减效应。目前国内外对于屋面光伏支架风荷载取值的研究主要集中在平地面上安装的光伏发电系统。对于安装在屋顶上的分布式太阳能光伏支架的风荷载取值仍然不明确，屋面坡度、女儿墙高度和建筑物尺寸等对太阳能光伏板风荷载会产生很大的影响，如何考虑这种影响是太阳能光伏支架设计目前存在的主要问题之一。房彦山等通过对太阳能光伏板阵列进行数值模拟，得到太阳能光伏板之间的遮挡效应会对受到的风荷载产生影响；杨景晞，李坤彭通过对商业建筑屋顶安装的太阳能光伏板进行数值分析，得到了位于屋顶各区域位置光伏板的风压分布；A.radu 通过研究屋面阵列太阳能光伏板位于中间位置的光伏板的最大风压系数为 0.82，最小为-0.67；黄伯城和马文勇等计算了光伏板不同阵列形式的体型系数，得到上游光伏板对下游光伏板有明显遮挡效应；王京学和杨庆山等通过刚性模型测压试验，分别对平屋盖上放置导流板和双坡屋盖上的光伏板的风荷载特性进行研究，为屋顶光伏系统设计和相关规范提供参考。对于屋顶安装的太阳能光伏阵列而言，除了安装位置、间距对光伏板所受风荷载的影响还要研究女儿墙高度、建筑结构等因素对其风荷载的影响，比如不同的女儿墙高度会对来流风场产生影响，从而影响屋顶上太阳能光伏板表面的风荷载大小。本文通过刚性模型测压风洞试验，研究了女儿墙高度对光伏支架风荷载的影响规律，给出了女儿墙影响下光伏支架的风荷载折减建议。

1 试验概况

1.1 模型介绍 试验在石家庄铁道大学风洞实验室低速试验段进行，试验断面宽4.4m，高3m。低速试验段最大风速为30m/s。研究对象为平屋面阵列太阳能光伏板，共42 组见图1(a)，其中光伏板距离屋面边缘M1=900mm，M2=1800mm，上下区域光伏板之间的间距分别为L1=1000mm，L2=2000mm，α 为风向角，取值0°~180°，以15°为间隔，共12 个风向角工况，其中0°为气流由近地面吹向远离地面端。太阳能光伏板布置图见图1(b)，其中H 为光伏板离地高度，取0.5m；β 为光伏板倾角，取值30°。每组太阳能光伏板上下表面布置测压孔同步测试上下表面压力，共40 个测压点，屋面阵列太阳能光伏板表面共布置1680 个测压点。试验采用A 类风场，来流风速为12m/s。压力扫描阀采样频率为330Hz，采样时间为30s。

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图1 试验模型

1.2 参数定义 定义平均风压系数：

式中：Cpi 为测点i 在不同风向角下的平均风压系数；Pt 和Ps 为参考点高度处的总压和静压；Pi 为测点 i 在不同风向角下的压力；Ur 为参考点高度处的平均风速；为了便于使用参考点，高度选择h=10m。

体型系数：

式中：μsi 为测点i 处的体型系数；Zi 为测点i 处的高度； 为地面粗糙度指数，A 类风场 取0.12。

2 试验结果分析

2.1 无女儿墙屋面光伏板风荷载取值建议

为便于比较分析，距离屋面边缘900mm 的阵列光伏板上选择编号B01，B08，距离屋面边缘1800mm的阵列光伏板上选择编号E01，E06，其整体体型系数随风向角变化见图2。图中可以看到，在风向角0°到180°范围内，距离女儿墙900mm 的编号B01 和编号B08 的整体体型系数(绝对值)大于距离女儿墙1800mm 的编号E01 和编号E06 的整体体型系数(绝对值)。屋面边缘太阳能光伏板的整体体型系数小于地面相同条件下光伏板的整体体型系数。

同一列光伏板即横向光伏板，编号A01-A08 为第一列，B01-B08 为第二列，C01-C08 为第三列。图3给出了前三列屋面光伏板在倾角为0°时整体体型系数分布。以第一列光伏板进行说明，编号A01 光伏板在倾角30°下整体体型系数为-0.02，表现为风吸力，主要由于来流接触建筑时，受到建筑物的阻挡，沿着建筑做平流运动，挤压正对光伏板的来流，接触到的光伏板上表面能量减小，导致上表面的正压力小于下表面产生的风吸力，整体体型系数表现负值，随着后面光伏板个数的增加，建筑物产生的扰流作用越明显，光伏板距离屋面边缘达到一定距离，扰流作用减弱，接触光伏板上表面的气流能量逐步增大，表现为风压力。

由于建筑结构的扰流作用，屋面上太阳能光伏板与地面上太阳能光伏板风荷载取值不同，屋面光伏板第四列至第六列之间最大风压在-0.5~0.5 之间，第一列至第三列之间最大风压在-1.14~0.58 之间，无论是最强正压还是最强负压，均未发生在与直射光线平行的风向角下。最强风压发生在屋面边缘。

无女儿墙时，平屋顶上边缘位置处光伏板体型系数风吸力取-1.2，风压力取 0.6；中间位置光伏板体型系数风吸力取-0.5，风压力取 0.5。

2.2 有女儿墙时屋面光伏板风荷载取值建议

女儿墙高度选择180mm、360mm、900mm、1800mm、2700mm、3600mm、5400mm，屋顶太阳能光伏板的实际高度为2140mm，RH 为女儿墙高度与光伏板高度的比值，文中RH 依次为0、0.08、0.17、0.42、0.84、1.26、1.68、2.1。图4 给出了第一列光伏板编号A01、A03、A06、A08 整体体型系数随风向角的变化情况。图中可以看出，边缘位置光伏板对于女儿墙高度的敏感程度大于中间位置光伏板对于女儿墙高度的敏感程度。

女儿墙高度对屋顶太阳能光伏板风荷载的影响主要考虑整体体型系数最大值和最小值，表1 为不同RH值下光伏板的最大正压和最大负压。

女儿墙高度增加可以有效减小平屋面阵列太阳能光伏板整体体型系数，女儿墙高度小于0.4 倍光伏板高度时，随着女儿墙高度增加光伏板整体体型系数减小很快；女儿墙高度为0.4-1 倍光伏板高度时，光伏板整体体型系数风吸力为-0.6，风压力为 0.6；女儿墙高度为2 倍光伏板高度时，整体体型系数风吸力取-0.4，风压力取 0.35；女儿墙高度为1-2 倍光伏板高度时，可以线性插值。

图4 第一列光伏板整体体型系数随风向角变化

3 结论

通过刚性模型测压风洞试验获得不同女儿墙高度对平屋面阵列光伏板整体体型系数变化数值。对于平屋面上倾角30°、水平间距分别为1m 和2m 的光伏板，无女儿墙时，整体体型系数小于地面上的取值，且距离屋面边缘越近，光伏板承受的风荷载越大；对于间距为1m 的平屋面阵列光伏板，边缘位置处光伏板比屋面中心位置处光伏板承受荷载大，女儿墙可以有效减小平屋面光伏板所受到的风吸力；无女儿墙时，屋面边缘光伏板风压力取 0.6，风吸力取-1.2，中间位置风压力取 0.5，风吸力取-0.6；女儿墙高度为2 倍光伏板高度时，光伏板风压力取 0.35，风吸力取-0.4；女儿墙高度为1-2 倍光伏板高度时，光伏板风压力在 0.3 与 0.5 之间线性插值，风吸力在-0.4 与-0.6 之间线性插值。