來源：小樹洞談光伏支架
今年第9號臺風(fēng)“利奇馬”（超強臺風(fēng)級）的中心已于10日01時45分在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力有16級（52米/秒），中心最低氣壓930百帕。
?臺風(fēng)“利奇馬”登陸瞬間
(來源：NOAA)
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臺風(fēng)天，大家都選擇在家里，盡量不出門。但是在戶外的光伏電站卻沒有那么多選擇，只能“堅守”在自己的工作崗位上，而光伏支架作為穩(wěn)固和支撐整個電站的設(shè)備，其抗風(fēng)性能則顯得尤為重要。但是臺風(fēng)一來，還是有很多支架“翻了肚皮”，這是什么原因呢？
小樹洞曾看過一些年輕工程師所寫的光伏支架計算書，其中一個錯誤出現(xiàn)的頻率非常高。那就是陣風(fēng)或者風(fēng)振系數(shù)的選取。
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一些工程師使用1.0來忽略陣風(fēng)或者風(fēng)振系數(shù)，這樣會使計算的風(fēng)壓至少比實際值小1.4倍，最大可能是5倍。
這篇文章，小樹洞就來說說這兩個系數(shù)的意義和區(qū)別。
先說結(jié)論：
固定支架
按照圍護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，采用GB50009表8.6.1的陣風(fēng)系數(shù)。
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跟蹤系統(tǒng)
按照主要受力結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用風(fēng)振系數(shù)，需要進行風(fēng)洞測試。
?國標(biāo)GB50009上選取的陣風(fēng)系數(shù)
先來談?wù)勶L(fēng)速，風(fēng)有兩種比較重要的參數(shù)，一個是“重現(xiàn)期”，公眾號之前《千年一遇？臺風(fēng)是要成精了》系列已經(jīng)有所介紹。另外一個就是“時距”，目前世界上風(fēng)荷載規(guī)范主要有三種風(fēng)速時距，3s陣風(fēng)風(fēng)速，10分鐘平均風(fēng)速，1小時平均風(fēng)速。這三種風(fēng)速大小可以互相進行轉(zhuǎn)換。
?美標(biāo)提供的時距轉(zhuǎn)換曲線(Durst Curve)
而不管任何規(guī)范，選取的是哪一種時距的風(fēng)速，最終都會使用各種系數(shù)，來將10分鐘或者1小時的風(fēng)速轉(zhuǎn)換成3s陣風(fēng)風(fēng)速，再進行最終的計算。這是為什么呢？
我們知道對于自然風(fēng)而言，它是由兩種類型的風(fēng)荷載組成的：
周期較長的平均風(fēng)荷載
周期較短的脈動風(fēng)荷載
其中平均風(fēng)荷載可類比為一種靜態(tài)的力，而脈動風(fēng)荷載因為其具有隨機性，情況比較復(fù)雜。1967年，著名的風(fēng)工程科學(xué)家-Davenport提出了一種方法來簡化這種脈動風(fēng)荷載的計算，稱之為GLF(Gust Loading Factors)，簡單的來說就是在靜態(tài)力上再乘以一個大于1的系數(shù)(陣風(fēng)系數(shù)或風(fēng)振系數(shù))來擬真這類脈動風(fēng)荷載。
而對于脈動風(fēng)荷載來說，又有兩種分量需要考慮：
背景分量，考慮風(fēng)速的瞬時變化，陣風(fēng)系數(shù)
振動分量，考慮結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，動態(tài)放大系數(shù)
我們知道，國標(biāo)GB50009在計算風(fēng)荷載時有兩種方法供選擇：
計算主要受力結(jié)構(gòu)時，考慮風(fēng)振系數(shù)
計算圍護結(jié)構(gòu)時，考慮陣風(fēng)系數(shù)
這里的陣風(fēng)系數(shù)僅僅考慮了背景分量，適用于剛性較強的結(jié)構(gòu)。而風(fēng)振系數(shù)既考慮了風(fēng)的背景分量，也考慮了結(jié)構(gòu)振動的響應(yīng)，適用于剛性較弱的結(jié)構(gòu)。
對于基本頻率較高的部分固定支架和屋頂支架，僅考慮陣風(fēng)系數(shù)即可，可以按照圍護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
對于跟蹤器這種風(fēng)致敏感的結(jié)構(gòu)，則需要考慮結(jié)構(gòu)本身的振動對荷載的放大效應(yīng)，需要考慮風(fēng)振系數(shù)，應(yīng)該按照主要受力結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
如前面所述，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛性較強時，則不需要考慮結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，而只需要考慮風(fēng)速的瞬時變化產(chǎn)生的效果，那么這時就只要在平均風(fēng)荷載上(國標(biāo)，歐標(biāo)，日標(biāo)都為10分鐘平均風(fēng)荷載)乘以一個陣風(fēng)系數(shù)(Gust Factor)即可。
下面我們就分別用美標(biāo)和歐標(biāo)來進行詳細(xì)講解：
?美標(biāo)的3秒陣風(fēng)風(fēng)速為40m/s左右
?歐標(biāo)的10分鐘風(fēng)速為30m/s左右
陣風(fēng)系數(shù)是指瞬時風(fēng)荷載(或風(fēng)速)相較于平均風(fēng)荷載(或風(fēng)速)的比值。而隨著高度的增大，脈動風(fēng)荷載的效應(yīng)降低，陣風(fēng)系數(shù)也相應(yīng)的減少。
?陣風(fēng)系數(shù)的計算圖例
?陣風(fēng)系數(shù)隨高度的增加而遞減(來源：WMO)
?陣風(fēng)系數(shù)隨粗糙度的增加而增大
(來源微信公眾號：同濟風(fēng)工程)
?與陣風(fēng)系數(shù)變化趨勢相吻合
通常我們把3秒的瞬時風(fēng)速稱之為3秒陣風(fēng)風(fēng)速(3s gust wind speed)，對于歐標(biāo)來說，系數(shù)Exposure Factor-Ce(z)就是將10分鐘的風(fēng)速轉(zhuǎn)換成了3s陣風(fēng)風(fēng)速。所以這個Ce(z)也就是我們所說的陣風(fēng)系數(shù)。
?10分鐘風(fēng)速(綠虛線)與
3s陣風(fēng)風(fēng)速(黑實線)的關(guān)系
對于美標(biāo)，盡管也有Gust Factor-G，但是這個G并不是我們常說的陣風(fēng)因子，而是考慮了風(fēng)速瞬時作用到結(jié)構(gòu)面積比較大的建筑物上時，建筑物上各個區(qū)域的風(fēng)壓并不是瞬間都是相同的，實際風(fēng)壓會有折減，因此對于大型建筑物，這里G是取0.85。而對于跟蹤器，因為其有效特征長度都在2~4米左右，結(jié)構(gòu)比較“小”，瞬間的風(fēng)壓可以看成是相同的，所以在計算時應(yīng)該取1.0。在進行風(fēng)洞測試時，往往將G和CN(也就是壓力系數(shù)Cp)合并在一起，取做GCN。
?歐標(biāo)/美標(biāo)/加標(biāo)
三種不同時距風(fēng)速規(guī)范的計算對比
當(dāng)我們找到每個規(guī)范里面的陣風(fēng)因子后，不管是10分鐘風(fēng)速的歐標(biāo)、3s陣風(fēng)的美標(biāo)，還是1小時平均風(fēng)速的加標(biāo)，就可以使用同一套3s陣風(fēng)下的風(fēng)洞系數(shù)了。
前面所講的“陣風(fēng)系數(shù)”，主要針對的是剛性較強的結(jié)構(gòu)，對于像跟蹤系統(tǒng)這樣剛性較弱的結(jié)構(gòu)，還需要考慮其結(jié)構(gòu)振動所帶來的額外風(fēng)荷載，也就是我們說的“風(fēng)振系數(shù)”。
對于國標(biāo)來說，風(fēng)振系數(shù)既包括了單純的瞬時變化的脈動風(fēng)荷載(相當(dāng)于陣風(fēng)系數(shù))，又包含了結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。但是對于使用3秒陣風(fēng)的規(guī)范，例如美標(biāo)，只需要考慮結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)即可，這時需要乘上的系數(shù)則稱之為“動態(tài)放大系數(shù)-DAF(Dynamic Amplificaiton Factor)“。
對于同一個角度，同一種設(shè)計的跟蹤系統(tǒng)，影響DAF這種系數(shù)的主要有以下幾點：
風(fēng)速越大，DAF越大
結(jié)構(gòu)頻率越小，DAF越大
結(jié)構(gòu)阻尼比越小，DAF越大
對于跟蹤器來說，DAF數(shù)值的大小有時甚至可以到達(dá)5.0，也就是說實際考慮了風(fēng)致共振后的荷載是靜態(tài)風(fēng)荷載的5倍。
?跟蹤器扭轉(zhuǎn)模態(tài)時DAF隨St數(shù)的關(guān)系
其DAF最高可達(dá)1.63倍
(來源：IFI文章-Peak Wind Loads on Single-axis PV Tracking System)
可以說，空氣動力學(xué)分析在光伏支架設(shè)計中的地位非常重要，相比較結(jié)構(gòu)力學(xué)或者材料力學(xué)來說，氣動力學(xué)也是最有趣的部分。各位工程師在設(shè)計計算支架結(jié)構(gòu)時，需要時刻保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，對任何一個系數(shù)都要“刨根問底”，這樣才能打破知識局限，更上一層樓。
原文始發(fā)于微信公眾號（坎德拉學(xué)院）：臺風(fēng)區(qū)光伏支架“翻肚皮”| 陣風(fēng)系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)取1.0？大錯特錯！