屋顶光伏系统风荷载特性及其风致效应的机理研究

Rooftop phtotovoltaic (PV) systems, which will be the main trend in the development of PV industry, have a great potential in the future. However, on one side, the knowledge on their wind loading characteristics is limited due to the lack of previous researches and design provisions in wind loading standards and codes of practice, which results in the safety issues in their wind resistant design; on the other side, the load sharing effects are always conservatively neglected in the design, which leads the cost effective problems. As a result, it is necessary to conduct systematic research on wind loading characteristics and aerodynamic mechanisms of rooftop PV systems, as well as wind-induced effects considering the load sharing effects. Four main parts are included in the whole project: (1) to investigate wind loading characteristics and aerodynamic mechanisms under various design parameters, through rigid model wind pressure measurements; (2) to recommend aerodynamic countermeasures reducing wind loads based on aerodynamic mechanisms, followed by the verification through rigid model wind pressure and wind force measurements; (3) to propose simplified formulas for conversion factor between wind loads on rooftop PV systems and roof pressures; and (4) to analyze wind-induced effects focusing on the optimization of load sharing effects of the systems, which is aimed at determining effective wind loads corresponding to various types of components. This study will not only be helpful for the design provisions in wind loading standards and codes of practice, but also improve the safety and cost effective in wind resistant design for rooftop PV systems, base on mechanistic investigations on aerodynamic and structural countermeasures.

屋顶光伏系统未来发展潜力巨大，并逐渐成为光伏产业发展的主流。然而，一方面，由于缺乏研究储备和设计规范，实践中对其风荷载特性的认识还很有限，影响其抗风设计的安全性；同时，又常忽略结构系统整体的荷载分担机制，影响其抗风设计的经济性。为此，拟开展该系统的风荷载特性及其气动机理、以及考虑荷载分担机制的风致效应研究。主要内容包括：（1）运用刚体测压风洞实验方法，对不同参数下的风荷载特性及气动机理进行识别；（2）基于气动机理制定降低风荷载的气动措施，并通过刚体测压和测力风洞实验进行验证；（3）提出风荷载与屋面风压间转化因子实用公式；（4）进行以荷载分担机制的优化为目标的结构风致效应分析，建立针对不同构件的等效风荷载，并通过风致效应时程分析进行验证。预期研究成果不仅有助于该系统设计风荷载相关规范的制定，还将阐明提高系统抗风性能的气动措施和结构措施的机理，为该系统抗风设计的安全性和经济性提供合理的依据。

风荷载是影响屋顶光伏系统结构设计的关键因素之一。目前，国内外规范针对屋顶光伏系统风荷载的规定还很欠缺。因此，有必要对其风荷载特性及其风致效应的机理展开系统研究，为保证其抗风设计安全性和经济性提供合理的依据。本项目的主要研究内容包括：（1）研究了几何缩尺比、测点数目、移动平均时间等参数的合理取值，建立起可供屋顶系统风荷载识别所用的合理方法和准则，并对可以保证实验可靠性的上述准则进行了验证。（2）考虑了光伏板位置、倾角、间距等关键参数的影响，建立了基于局部风力系数、面积平均风力系数和倾覆力矩系数的屋顶光伏系统风荷载分布理论模型，可为我国屋顶光伏系统风荷载专门条文的制订提供较为系统的基本数据储备。（3）基于本征正交分解分析了影响屋顶光伏系统风荷载特性的气动机理，进行了风荷载取值的屋面分区，提出了降低风荷载的气动措施；基于结构荷载分担机制明确了产生风效应的作用机制，提出了降低风致效应的结构措施。.本项目的重要结果和关键数据包括：（1）指出屋顶系统风荷载识别须建立合理的风洞实验方法和可靠性原则，1:50为合理的几何缩尺比取值，合理减小表面测点数目对结果影响较小，移动平均时间对结果差异影响大；（2）对于独立式和阵列式两种屋顶光伏系统而言，光伏板在屋面的位置、光伏板倾角均为对其风荷载大小影响显著的设计参数，间距对阵列式系统风荷载也有明显影响。倾角越大，风荷载越大；间距越大，风荷载越大。本项目提出的面积平均风力系数拟合公式考虑了倾角和有效面积两个参数，可为实际工程设计所参考。对于倾斜式屋顶光伏系统，其气动中心相对位置均大于0.5；（3）明确了影响屋顶光伏系统风荷载大小的三类气动机理，并指出了建筑物导致的特征紊流是影响其极值风荷载的决定性因素，从而提出了控制其风荷载的女儿墙、分区布设等气动外形控制措施和结构连接优化措施。本项目成果可为相关设计规范提供参考和理论保证，具有非常重要的应用价值和经济意义。