科普篇！技术视角带你看懂低价支架的隐忧

在光伏电站项目中，采用跟踪支架可比固定支架提升25%左右的发电量，这一显著优势使其在欧美地区成为光伏电站的主流选择。在发电量提升的背后，也蕴含着复杂而专业的跟踪支架技术。如果按照固定支架的理念来设计和评估跟踪支架，后果将是灾难性的。

在不同厂家推出的跟踪支架方案中，如果谁在可靠性上钻了空子，就能在成本上出现较大差异，从而以低价吸引眼球。抗风性能正是跟踪支架是否可靠的关键点。本文将全面解析各厂家在风荷载计算、结构校核和振动控制上的差异点，帮助读者了解和甄别安全可靠的跟踪支架所具备的技术要点。

一、 风荷载计算风险“规范派”在系统设计上产生的“短板效应”

风荷载计算数据是跟踪支架项目设计中非常重要的技术参数。风荷载计算可分为基于相关荷载规范中的系数进行计算的“规范派”和基于风洞测试的系数进行计算的“风洞派”两个流派。

其中，“风洞派”的方法是最科学合理的，但其研究代价过高，且会带来某些零部件成本显著上升，往往不被一些“取巧”厂家所采用。风洞派的设计流程应包括以下几个步骤（见图1）（1）通过刚性模型测压风洞试验获取静态及动态风荷载系数；（2）基于项目设计输入，按照相关荷载规范规定的方法计算风荷载设计值及其与其他荷载的组合；（3）按照相关结构设计规范规定的准则进行力学分析和结构校核。另外，“风洞派”会在风洞中测试得到产品的气弹临界风速，在项目设计中与设计风速进行比较校核，并制定科学合理的大风保护控制策略，从而防止出现过大的结构振动幅度，这一点是“规范派”无法做到的。

图1 基于风洞试验的结构设计流程

“规范派”并非基于科学的风洞试验计算风荷载，而是选用了《建筑结构荷载规范》或《光伏支架结构设计规程》中对于体型系数（与静态系数作用类同）和风振系数（与动态系数作用类同）的建议。需要注意的是，上述标准中的相关规定本质上来源于建筑结构或针对框架式固定支架，并未充分考虑单排立柱支撑的跟踪支架结构体系的特殊性。例如，荷载规范中的体型系数对支架局部区域风荷载的时空脉动特性考虑不足，仅为均匀分布或简单的阶梯状分布形式，无法充分准确地描述风压在组件表面的不均匀分布，这对于受扭控制的跟踪支架结构体系会造成严重的不安全设计。同时该系数也仅反映了二维特性，并未考虑360度全风向以及支架阵列干扰/遮挡效应的影响，因此无法包络所有最不利工况，也无法对阵列做合理划分。另外，荷载规范建议的风振系数主要基于以弯曲模态主导的竖向悬臂结构，如高层建筑和高耸结构。而跟踪支架结构体系复杂，不同构件受力特性差异显著，如主梁受扭转和弯曲多阶模态控制（见图2）。与“风洞派”相比，“规范派”会导致跟踪支架系统中不同部件的安全性不均衡，在系统设计上产生“短板效应”。

图2 跟踪支架主梁扭转及弯曲模态

相比之下，“风洞派”可利用细密布置的测压点位以准确捕捉不均匀风压，利用可转动的多排支架阵列模型充分模拟各个来流风向同时考虑阵列的干扰效应（如图3所示），以获取可真实反映结构特性的静态风荷载系数。将风洞试验测得的风压时程数据与结构动力特性相结合，利用随机振动分析可获得不同结构件相应的动态风荷载系数，从而得到更加准确的等效静力风荷载。“规范派”的风荷载模式无法包络复杂系统中所有零部件的极值风荷载和响应，尤其对于受扭构件考虑的风荷载验证不足。

图3 刚性模型测压实验

图4给出了风洞试验与荷载规范规定的风荷载系数的对比细节。总的来说，当前荷载规范主要基于经验统计值，考虑因素粗略且取值激进，用于结构设计会存在较大风险；而风洞试验得到的结果更加接近实际情况，考虑因素全面且取值精确可靠，可大幅降低结构设计风险，避免系统中因单个零部件设计不足导致“短板效应”。

图4 风洞试验与荷载规范规定的风荷载系数对比

二． 结构校核国标下的技术风险

不同国家设计规范对不同构件强度及稳定性校核方法的规定存在较大区别，尤其是对于受弯扭耦合作用的主梁设计。图5对比了中国、美国及欧洲钢结构设计标准中主梁的校核准则（由于剪力的影响一般较小，因此表中未列剪力组合）。

图5 不同国家设计规范对于跟踪支架主梁设计校核的差异

可以看出，我国规范仅将主梁按照受弯构件设计，这主要是因为规范针对的是以受弯为主的钢框架建筑结构体系，并未涉及扭转效应。同时，我国规范建议因尽量避免构件受扭，当不可避免时，建议参考国外标准进行设计。相比之下，欧洲规范可考虑构件单独受弯和单独受扭设计，而仅有美国规范可考虑构件弯扭耦合作用进行设计。因此，从合理性上来看，仅有美国规范适用于跟踪支架主梁的设计校核，如果采用国标设计主梁将因忽略起控制作用的扭矩效应而导致巨大风险，如图6基于不同规范校核主梁所得到的应力比（荷载效应/构件抗力）结果所示。

图6 不同国家设计规范校核主梁结果对比

三、振动控制风致振动会严重破坏跟踪支架

跟踪支架属轻柔结构，极易在风作用下发生抖振、涡振、颤振和驰振等一系列风致振动现象，由此导致结构出现强度破坏、变形过大和气弹失稳而失效。其中，颤振、驰振和大幅涡振一般归结为气动稳定性问题，可以通过保证气弹临界风速高于设计风速，以避免跟踪支架发生气弹失稳现象。抖振和小幅涡振为限幅振动，一般基于等效静力风荷载理论加以考虑，它是一种将考虑结构风振的动力学设计问题等效处理为静力设计问题的方法，也即通常所说的结构风荷载，将其作为静力施加到结构上，得到的极值响应与平均响应、背景响应和共振响应三者组合等效，由此校核结构构件及各连接节点的强度、刚度和结构稳定性。振动控制问题一方面要防止结构发生大幅度风致振动，另一方面要充分考虑小幅振动引起的额外荷载效应。

四、总结

在风荷载计算、结构校核和振动控制中采用标准的差别，不仅会造成支架成本的差异，更影响支架结构的安全性。一味追求跟踪支架的低价会给项目带来巨大的安全隐患。这也是近年来跟踪支架风灾事故的主要原因。如2017年6月，青海地区一阵大风吹过，某光伏电站中多组平单轴跟踪系统应声倒地，桩基础被连根拔起。再如2022年11月，新疆某光伏项目近百兆瓦光伏方阵被全部吹翻。根据现场视频来看，大量光伏支架倒塌，光伏组件均有不同程度受损，部分受损严重的光伏组件已经完全破碎。

综上所述，没有后顾之忧的跟踪支架，必须依托于更科学的试验和数据分析等方式确定更为准确的风荷载数据。这些要求不仅体现了跟踪支架产品的技术含量，同时也对跟踪支架供应商提出了更高的专业能力和丰富的工程设计经验的要求。只有具备这些条件，才能确保跟踪支架产品的性能稳定和长期可靠性，让客户用的放心。