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平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

光伏支架10周年

引导语 上一篇小树洞分享了SEAOC PV2这本资料,很多朋友都有下载,估计大部分朋友都看的头晕脑胀。确实,这本资料里面充斥着大量的专业词汇以及计算公式,更要命的是,文章都是英文。但是大家不要怕,这次小树洞就一…

引导语

上一篇小树洞分享了SEAOC PV2这本资料,很多朋友都有下载,估计大部分朋友都看的头晕脑胀。确实,这本资料里面充斥着大量的专业词汇以及计算公式,更要命的是,文章都是英文。但是大家不要怕,这次小树洞就一次性把平屋顶风荷载的计算法则说清楚,in Chinese!

目录:

1. 美标系数用于国标计算

2. 风压重新期的选择

3. 风荷载计算纲要

4. 屋顶风区划分

5. 边缘系数

6. 有效面积的概念

7. 女儿墙系数

8. 弦长系数

9. 负重块的计算

如果没有时间看小树洞叨逼叨逼

也可以直接使用以下自动计算书

其中包含组件风压、支架、压块和负重块的计算

下载方式详见文章最后的留言板

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

 

1.美标系数用于国标计算

SEAOC PV2的计算是基于美标ASCE 7的风荷载标准,ASCE 7采用的基本风压为3秒瞬时风压,我们知道国标风荷载标准GB 50009采用的基本风压为10分钟平均风压。那么基于美标的屋顶光伏支架计算是否可以用于国标呢?

风荷载本身具有两种属性,“平均风压”以及“脉动风压”。意味着作用在建筑物上的风荷载在长期情况下可以看为一个定值的平均荷载,而在短期情况下为一种“忽大忽小”的脉动荷载。

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

▵阵风系数的计算图例

我们在设计建筑物强度时,必须考虑“忽大忽小”的脉动荷载,因此不管是国标还是美标,所有标准的最终风压都会乘上一个系数,使平均风压转换为瞬时风压这部分内容可以参考小树洞之前的文章:台风区光伏支架“翻肚皮”| 阵风系数和风振系数取1.0?大错特错!

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

▵阵风系数随高度的增加而递减(来源:WMO)

而国标采用的就是阵风系数(或风振系数)来将10分钟平均风压转换为3秒瞬时风压,这就刚好与美标相一致,因此我们完全可以采用国标的“风荷载标准值”,结合美标提供的计算方法来进行光伏支架设计。国标和美标也就能够“完美结合”了。

 

2.风压重现期的选择

我们在选择当地设计风速的时候,往往要考虑一个概念,也就是“重现期”。重现期指的是这种风速在每年出现的概率,比如50年一遇的意思就是:每年出现的概率是2%。很显然,重现期越大,风灾出现的概率就越低,我们设计的结构就越安全。

而“重现期”不仅与安全有关,还影响经济性。利用过高的重现期,虽然会带来足够的安全性,但是却超过了其本身的价值。当然,如果你贼有钱,非要用千年一遇的风速来设计你家院子外面的茅房,别人也管不了。

重现期的选择,归根结底就是考虑结构本身在人们心中的重要性,简单的一句话表示:

“结构出现破坏后,

对人身和经济带来的影响越大,

那么需要的重现期则越高。”

对于安装在地面上的光伏支架,因为不需要人来值守,所以即使被恐怖分子用RPG给炸了,也不会对人身造成什么影响。因此它们的重现期往往与设计使用寿命相挂钩。25年的设计使用寿命,重现期也可以采用25年。

对于安装在屋顶上的光伏支架,由于其安装的位置时常有人类活动,万一屋顶支架被破坏,轻则砸伤人,重则出现短路火灾,造成重大人员伤亡。所以屋顶光伏支架选择的重现期,需要和这个屋顶建筑采用的重现期相一致。按照50年一遇设计的屋顶本体建筑,其上安装的光伏支架“风荷载重现期”也需要50年一遇。

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

▵白宫的屋顶支架重现期得多高?

3.风荷载计算纲要

上一篇文章,本洞介绍了国际上针对屋顶光伏支架的设计标准,SEAOC PV2这本资料给分享了很多屋顶风荷载的知识,更重要的是它提供了一套完整的屋顶光伏支架风荷载计算的法则。

屋顶光伏支架的风荷载计算,总结一下就是采用各种不同系数,来评估不同建筑结构对支架风荷载的定量影响。

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

▵屋顶支架风荷载计算公式拆解

当然,每一个系数的背后,都包含了其对应的实际意义和选择逻辑。

 

4.屋顶风区划分

气流在流经屋面后会形成涡流,涡流对屋顶不同位置的风压影响不同。因此屋顶的风压就被划分成了三个区域:

  • 1.内区,位于角区和边区包围的地方,风压最低
  • 2.边区,位于屋顶的四条边缘,风压中等
  • 3.角区,位于屋顶的四个角落,风压最大

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▵屋顶的3个风区与建筑物高度的关系

 

5.边缘系数

熟悉小树洞之前文章的朋友应该有所了解,光伏跟踪器的设计会根据其在排布中的位置,分为内围和外围不同类型的结构。内围结构因为受到外围结构的风遮挡效应,因此内围的风荷载会远小于外围。其实屋顶光伏支架也是同样的道理。

屋顶光伏支架按照其所处的位置分为:

  • 外围:远离屋缘以及其他支架,风压较大
  • 内围:离屋缘比较近,或者其四周被外围支架包围,风压较小。

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▵屋顶光伏支架的内外围定义

对于这种内外围的屋顶支架设计,我们采用一个“边缘系数”来表征:

  • 外围支架的边缘系数=1.5
  • 内围支架的边缘系数=1.0

综上,根据3种风区,以及内围和外围,屋顶支架就分为了6种情况:

  • 1.角区外围
  • 2.角区内围
  • 3.边区外围
  • 4.边区内围
  • 5.内区外围
  • 6.内区内围

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▵屋顶光伏支架的6种风区情况

 

6.有效面积的概念

前面谈到,风本身是一种流体,流体在流过物体的时候会在物体表面形成压强。但是由于气流湍流的变化效应,在瞬时这种表面上的压强并不是均布的比如组件上的风压会“忽大忽小”,而相邻组件的风压在同一时刻也不一定相同。

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▵支架上受到的风压并不是时刻均值的

相邻之间的区域风压也不会相同

(来源:CPP组件风压时程图)

我们在设计组件的时候,要考虑在组件这样大小面积上的最大风压,而我们在设计单跨支架时,就要考虑在单跨这样大小面积上会出现的最大风压,显然这两个最大风压所针对的面积是不同的,风压也不一样。这种对应于零部件的面积称为“有效面积”。

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▵组件的“有效面积”比单跨小

因此组件的“最大风压”比单跨大

这其实就是一种概率统计分布,有效面积越大,其对应的风压就越低,体型系数就越小

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▵支架体型系数图

有效面积越大,体型系数越小

(来源:ASCE 7-16)

 

7.女儿墙系数

一般屋顶四周都会建有女儿墙,很多人认为女儿墙会减少屋顶支架的风荷载,然而真实情况却恰恰相反科学家们通过大量的风洞测试后发现,很多女儿墙设计实际上会使屋顶的风荷载变得更大,尤其是在比较宽的建筑物上。

这是因为女儿墙抬高了涡流的高度,并且把这些涡流汇集在了一起,从而加强了涡流的强度,增大了其带来的上扬力。根据风洞测试的结论看,有女儿墙的屋顶部分区域,其支架风荷载甚至比没有女儿墙要大60%。

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▵风洞测试结果表明

女儿墙越高,风压系数越大

(来源:RWDI)

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▵不同女儿墙高度的系数

与没有女儿墙的系数之比

(来源:RWDI)

 

我们可以从上图中发现,在大部分情况下,有女儿墙的风压系数比没有女儿墙的都要高(ratio大于1.0)。因此,在计算屋顶支架风荷载时,我们引入一个“女儿墙系数”来表征女儿墙所带来的影响。

 

8.弦长系数

支架的弦长为支架风荷载的特征长度,对于一块竖装的支架来说,弦长就为组件的长度尺寸,而对于一块横装的情况,弦长就为组件的宽度。支架的弦长越长,由于其发生的湍流涡流尺度变大,对于这种弦长的体型系数就会增大,反之亦然。由此可知,对于倾角较大的屋顶支架,横装比竖装更优。

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▵支架弦长为其特征程度

一般为与正面风向垂直的尺寸

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▵支架体型系数不是一成不变的

它会随着弦长的变长而变大

 

9.负重块的计算

屋顶光伏支架经常会采用“负重块”来作为其基础。尽管负重块看起来是一个简简单单的水泥块,但是其背后的使用和计算逻辑还是比较复杂的。

由于大部分屋顶支架都带有一定的倾角,当风荷载作用到支架上后,会对负重块产生两种力:

  • 竖直上扬力,由负重块的自重力抵抗
  • 侧向滑移力,由负重块的摩擦力抵抗

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

▵负重块的受力分析

虽然上扬力和侧向力,都是由同一个荷载所产生的,但是支架抵抗这两种力的情况却有所不同,原因就是支架的“刚性”

对于侧向力来说,由于抵抗侧向力的支架刚性较强,所有在支架上的负重块都会参与和分享这个侧向力,因此由于侧向滑移力导致失效的概率比较低。

对于上扬力而言,支架的刚性则尤为关键了,支架刚性越强,相邻负重块之间的“共享荷载”能力就越强,相应的能抵抗的风压上扬力就越大。

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

▵支架相互之间进行连接

可以增加支架刚性,提高抗风能力

因此,很多屋顶支架都采用“连接导轨”的设计,让支架之间连接在一起,这样就大大的增强了支架之间的刚性,从而可以有效减少负重块的数量和重量。

平屋顶光伏支架的计算其实很简单!

▵支架前后排相互连接

(来源:K2)

 

来源:

微信公众号:小树洞谈光伏支架

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作者: 小编

联系我们: 邮箱:info@solarbracket.cn 电话:13164959840

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