來源：小樹洞談光伏支架
引導語
? ? ? ? 我們在產(chǎn)品設計和項目設計的時候，往往會使用很多國際通用標準和規(guī)范，組件的結構設計也不例外。在大部分情況下，這些標準和規(guī)范幫助我們解決了許多現(xiàn)實的難題，引導工程師走向正確的設計路線上。但是我們也要警惕，世上并不存在完美的標準和規(guī)范，他們或多或少都有一些缺陷和漏洞。
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? ? ? ? 因此，我們在使用這類標準和規(guī)范的時候，也要擦亮眼睛，辯證地對待他們。這次小樹洞就來好好檢查下那些針對組件設計的標準，他們到底有什么陷阱和漏洞在等著我們呢？
目錄：
1. 別忘了“壓強系數(shù)”
2.?風壓是不均勻的
3. 風壓是動態(tài)的
4.?組件如何獲得其真實性能
文章內為了表示方便
以下標準都采用其編號進行敘述
別忘了“壓強系數(shù)”
? ? ? ? 我們通過上一篇文章，了解了2400Pa的由來，IEC的初衷是要求組件能夠抵抗130km/h的臺風。愿望是美好的，但是現(xiàn)實是殘酷的。假如組件通過了2400Pa的測試，就能抵擋13級臺風，那么就不會出現(xiàn)那么多被風摧毀的光伏電站了。
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?2017年的颶風Irma
摧毀了美屬維京群島的一個光伏電站
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所以問題究竟出在哪里呢？
IEC 61215標準規(guī)定了組件2400Pa的計算方式：
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?IEC?61215定義的2400Pa計算方法
? ? ? ? 實際上我們在計算組件上的風壓時，采用的都是當?shù)貒业慕ㄖ奢d規(guī)范，大部分的規(guī)范都是采用諸如以下的公式進行風壓的計算。
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?風荷載計算基本公式
2400Pa僅為其中一部分
? ? ? ? 我們可以發(fā)現(xiàn)，2400Pa的計算僅僅考慮了風速本身的壓力，其只是上面公式的一部分，而忽視了一個很重要的參數(shù)：壓強系數(shù)。
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? ? ? ? 不同形狀的結構在相同風速下，往往會產(chǎn)生不同的壓強，比如在相同風速下，放置在0度時的組件風壓要遠小于45度時的風壓。
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?隨著角度的減小
空氣流動受到的阻力減小
組件上的風壓也會降低
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?在組件上的風壓(藍色實線和虛線)
0度時大約為45度的一半
（來源：IFI Wind Consultant）
?相同風速下
45度時和0度時的風壓對比
? ? ? ? 風在吹組件的時候，會在組件的正面產(chǎn)生壓力。當風略過組件后，會在組件背面產(chǎn)生渦流，從而導致組件背面產(chǎn)生更大的吸力。這兩部分力（正面的壓力，背面的吸力）相互作用在一起后，就對組件產(chǎn)生了風壓，因此風壓所導致的壓強系數(shù)在很多情況下，往往都大于1.0。
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?跟蹤器受風時的氣流速度云圖
（來源：RWDI）
?跟蹤器在受風時的壓強
是風壓力和風吸力的綜合作用結果
所以，我們可以判定，IEC 61215要求的2400Pa風壓是嚴重偏低的。
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風壓是不均勻的
? ? ? ? 我們從前面的討論中可以發(fā)現(xiàn)，組件上的風壓是不均勻的。在討論組件測試的方式前，我們先來看下在組件上可能產(chǎn)生的兩種極端風壓情況：
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?兩種不同類型的風荷載工況
如上圖所示，風壓在組件上可能產(chǎn)生這兩種情況：
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CASE A：風壓近似均勻的分布在組件上，并且組件風壓1等分時較大。
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CASE B：風壓在組件局部區(qū)域較大，并且組件多等分時的極值較大。
? ? ? ? 那么大家覺得CASE A和CASE B，哪一種情況對于組件的危害更大呢？我們在測試組件的時候是選擇哪一種情況呢？
? ? ? ? 當我們對照本系列開篇：翻譯翻譯，什么叫組件“機械荷載測試” | 組件為什么要做“機械荷載測試”？中介紹的組件失效模式，就能發(fā)現(xiàn)：
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CASE A對組件中部區(qū)域產(chǎn)生較大的風壓，容易使組件玻璃被壓潰
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CASE B對組件端部區(qū)域產(chǎn)生較大的風壓，容易使組件邊框被折斷
?組件結構破壞的幾種形式
? ? ? ? ?因此，在組件測試的時候，需要同時考慮CASE A和CASE B。
? ? ? ? ?但是實際上，IEC標準僅僅考慮了CASE A這種情況，而忽視了CASE B。
? ? ? ? ?熟悉IEC 61215的朋友應該知道，該標準在對組件的機械荷載測試時，采用的是一種“均布荷載”的方式。也就是在組件上均勻放置相同重量的沙袋，這樣使組件的每一處都是相同的壓力。
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?MQT16靜態(tài)機械荷載測試
沙袋被均勻地放置在組件上
? ? ? ? 很顯然，這種“均布荷載”的方式，并不能代表實際的風壓。因為風在流經(jīng)組件的時候，在組件上產(chǎn)生的壓力都是“不均勻”的。這使組件表面的局部風壓大小并不相等。
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?在以45度的情況舉例
組件上的風壓系數(shù)并不是均勻相等的
? ? ? ? 如果按照IEC 61215的“均勻荷載”最大的理論，那么我們應該選擇上面整體風壓（組件風壓1等分）最大的那個工況，也就是CASE A工況，在組件上均勻布置與1等分相似力的沙袋，然后測試組件是否能抵抗住這些力。
? ? ? ? 但是這樣選擇的話就忽略了局部風壓最大的情況。實際上局部風壓過大的CASE B工況，才是大部分組件在戶外受損的主要原因。
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?盡管CASE B的整體風壓更低
但是它會對組件邊框產(chǎn)生極大的彎矩
? ? ? ? 從CASE B的圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)一個問題，當計算考慮的面積越大，這個面積里面的極大壓強系數(shù)值就會被那些小的壓強系數(shù)所“平均化”，CASE B組件的4等分極大值（如下圖數(shù)值4），明顯比其1等分（如下圖數(shù)值2.5）要大許多。
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?計算考慮的長度
從25%L，50%L到100%L逐漸變大
壓強系數(shù)從4，3.5到2.5逐漸變小
? ? ? ? 這就好比一個班級的平均分數(shù)，都是小于班級排名第一的分數(shù)，倒數(shù)第一往往都是拖后腿的。
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? ? ? ? 因此計算考慮的面積越大，壓強系數(shù)則越小。這也是為什么計算組件風壓的壓強系數(shù)，都會遠大于支架設計所采用的壓強系數(shù)。所以千萬不可使用支架的壓強系數(shù)來設計組件，這樣計算出來的組件風壓會很小。
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?組件的“有效面積”比支架單跨小
因此“最大組件風壓”比“最大單跨風壓”要大
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? ? ? ? 實際上，IEC的專家們也意識到了風壓的不均勻性，目前IEC 61215和IEC 61730正在考慮加入不均勻風壓測試的內容，我們等等看IEC的專家們怎么解決這個問題吧。
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風壓是動態(tài)的
? ? ? ? 風荷載本身就是一種動態(tài)的荷載，它不是恒定不變的，而是會隨著時間的變化而變化。
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?支架上受到的風壓并不是時刻均值的
相鄰之間的區(qū)域風壓也不會相同
(來源：CPP)
? ? ? ? 這種動態(tài)的荷載，如果作用到剛性不足的結構上后，就會與結構相互產(chǎn)生力的耦合，從而增加更大的力。我們稱這種力的放大效果為“風致共振”。
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?虎門大橋的豎彎風致共振
? ? ? ? 我們在設計光伏電站結構的時候，往往把重心放在了支架結構上。對于跟蹤器來說，最容易出現(xiàn)的是“扭轉風致共振”，這項研究在近兩年各個頭部跟蹤器企業(yè)的大力推動下，成果非常顯著，大家對如何避免“扭轉風致共振”已經(jīng)輕車熟路了。
?跟蹤器的扭轉變形模態(tài)分析
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?跟蹤器的扭轉風致共振CFD仿真
（來源：RWDI）
? ? ? ? 可是當“扭轉風致共振”被控制住后，另一個“隱形殺手”卻慢慢浮出水面，這一次它的主要目標并不是支架本身，而是組件。
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? ? ? ? 這個殺手也是風致共振家族的一員，稱為“豎彎風致共振”。這種豎彎風致共振，就好像風壓不間斷地對組件施加壓力，使組件上的變形越來越大，荷載能量越積越多，直到組件變形過大而被破壞。
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?這樣玩過的朋友舉手
人的力量不斷地施加到橋上
導致橋的變形越來越大
?跟蹤器的豎彎變形模態(tài)分析
風荷載也會對組件施加動態(tài)的荷載
? ? ? ? 相比較“扭轉風致共振”影響的是跟蹤器主軸的扭轉力矩?！柏Q彎風致共振”則增大了垂直于組件的壓強。在當跟蹤器大角度?？康臅r候，這種風壓的增大效果尤其顯著。當風速逐漸增大，結構開始發(fā)生有規(guī)律的震蕩，風壓就像擺錘一樣，不間斷地壓到組件上，結構越晃越嚴重，風壓越吹越大，組件上的壓強則成倍增加。
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? ? ? ? 從結構角度來看，有以下幾個因素影響“豎彎風致共振”的放大效應：
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大風保護角度越大，豎彎共振效應越大
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主軸抗彎能力越差，豎彎共振效應越大
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主軸豎彎阻尼比越小，豎彎共振效應越大
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立柱跨距越大，豎彎共振效應越大
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組件越重，豎彎共振效應越大
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組件弦長越長，豎彎共振效應越大
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風速越大，豎彎共振效應越大
?外圍組件上的豎彎風致共振風壓
最大為靜態(tài)風壓的1.6倍
如果考慮通常5%的阻尼比
最大也有1.2倍
? ? ? ? 我們通過一些實際現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，在組件上的風壓力往往會使組件產(chǎn)生2倍的重力加速度。
?跟蹤器現(xiàn)場實際測試獲得的能量頻譜曲線
可見大部分針對組件動態(tài)風荷載的高能量
集中在3~8Hz的范圍內
（來源：NEXTracker）
組件如何獲得其真實性能
? ? ? ? 了解IEC 61215和IEC TS 62782的朋友可能會注意到，在這些標準里面包含了一項“動態(tài)”測試，也就是MQT20，動態(tài)機械荷載測試(Dynamic Mechanical Loading Test)。盡管這項測試冠以“動態(tài)”之名，但是和我們前面所談的“動態(tài)風荷載”以及“豎彎風致共振”是完全不同的概念。
? ? ? ? 根據(jù)IEC 61215-2的解釋，動態(tài)機械荷載測試，針對的是組件在組裝過程中產(chǎn)生的低強度機械應力變化。實際上這個測試既沒有考慮風荷載的不均勻性，也沒有考慮到結構的“豎彎風致共振”問題。
?動態(tài)機械荷載測試（MQT20）的目的
?動態(tài)機械荷載測試（MQT20）
（來源：EuroTech）
? ? ? ? 那么如何來對組件的動態(tài)抵抗性能進行評估呢，我們可以從“外部荷載測試”和“內部性能測試”兩方面來分析。
? ? ? ? 外部荷載測試，指的就是要搞清楚施加在組件上的力、壓強等信息，對于風荷載來說就是進行風洞測試，得到安裝在支架上組件的靜態(tài)和動態(tài)系數(shù)。
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? ? ? ? 內部性能測試，就是要測試獲得組件自身的結構動力學特性數(shù)學模型，比如振型、阻尼、頻率等等信息。這種信息往往可以通過“力錘激勵測試”的方式來獲得。
?組件安裝在跟蹤器上進行風洞測試
（來源：Arctech）
? ? ? ? 風洞測試我們已經(jīng)非常熟悉了，下面簡單介紹下力錘激勵測試。
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? ? ? ? 力錘激勵測試是一種經(jīng)典（試驗）模態(tài)分析，一句話概括其工作原理就是：通過測試獲得數(shù)據(jù)，再利用快速傅里葉變換這類數(shù)學方法來獲得頻響函數(shù)，然后依靠頻響函數(shù)就能得到組件結構動力學的參數(shù)。它往往會和有限元分析同時進行，利用力錘激勵測試的結果來校準有限元模態(tài)分析的輸入?yún)?shù)。
測試設備主要由三部分組成：
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模態(tài)力錘，記錄敲擊力，激勵物體產(chǎn)生振動和變形。
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加速度傳感器，獲得物體振動的數(shù)據(jù)
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數(shù)據(jù)采集器，采集和分析測試數(shù)據(jù)，得到測試結果
?兩種力錘激勵測試的方法
（來源：Crystal Instruments）
? ? ? ? 最后小樹洞想提醒大家的是，組件上的風壓并不是完全由組件自身決定的，合理設計光伏支架對于降低組件風壓非常關鍵。
