光伏組件風(fēng)致響應(yīng)研究現(xiàn)狀綜述

范士錦 ， 王皓冉

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611200）

光伏組件是把性能比較接近、尺寸比較合適的整片光伏電池片，排列后串聯(lián)或并聯(lián)之后拼裝而組成的。但光伏電池片的尺寸相對(duì)較大，以300 W的太陽能光伏板為例，其尺寸是1 960 mm*990 mm*35 mm，如果受到較大的風(fēng)載作用，太陽能光伏板自身的強(qiáng)度和剛度都有可能無法滿足使用要求，可能會(huì)使太陽能光伏板產(chǎn)生斷裂或者較大的變形，也有可能導(dǎo)致太陽能光伏板不能正常使用或光電轉(zhuǎn)換效率有所下降。

1 光伏產(chǎn)業(yè)總體前景展望

光伏組件抗風(fēng)是光伏組件發(fā)展過程中不可回避的課題，2015年臺(tái)風(fēng)“彩虹”[1]登陸廣東后，對(duì)光伏板矩陣造成了一定程度的破壞，這給光伏組件的發(fā)展也打了一劑預(yù)防針。雖然此次臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致光伏板矩陣的破壞很大程度上是因?yàn)楣夥宄惺艿娘L(fēng)荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，但也應(yīng)從此次風(fēng)災(zāi)中吸取教訓(xùn)，通過對(duì)光伏組件抗風(fēng)能力的提升和風(fēng)致響應(yīng)機(jī)理的研究最大限度地降低較強(qiáng)風(fēng)荷載對(duì)光伏組件的破壞，在認(rèn)識(shí)和實(shí)踐層面都加以提升，最大限度地保障光伏產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

“十四五”期間，光伏產(chǎn)業(yè)要直面大勢(shì)所趨下的平價(jià)時(shí)代和日趨激烈的國際貿(mào)易競(jìng)爭(zhēng)，中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)“十四五”期間我國光伏年均增量將達(dá)到7 000萬kW。眾所周知，光伏組件的抗風(fēng)性能影響著其在大風(fēng)多發(fā)區(qū)的應(yīng)用，如果能有效提高光伏組件的抗風(fēng)性能，勢(shì)必能為光伏產(chǎn)業(yè)添磚加瓦。

2 光伏產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用前景展望

十九大報(bào)告指出，農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問題是關(guān)系國計(jì)民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作的重中之重，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。而光伏產(chǎn)業(yè)和鄉(xiāng)村振興有較好的融合點(diǎn)。

我國廣大農(nóng)村地區(qū)具有充足的太陽能，也具有充足的可以布設(shè)太陽能光伏組件的空間，如果能夠?qū)⒐夥M件較好地布設(shè)在我國廣大農(nóng)村地區(qū)，這將是一項(xiàng)光伏產(chǎn)業(yè)升級(jí)的創(chuàng)新性舉措。發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)也能夠更好地帶動(dòng)我國農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)的整體高質(zhì)量發(fā)展，讓我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)邁上新臺(tái)階。

在我國廣大農(nóng)村地區(qū)布設(shè)太陽能組件，也能夠更好地協(xié)調(diào)我國的城鄉(xiāng)發(fā)展，讓農(nóng)村地區(qū)能夠通過光伏組件并網(wǎng)提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收益，從而縮小城鄉(xiāng)貧富差距。

正所謂“金山銀山不如綠水青山”，農(nóng)村地區(qū)的生態(tài)保護(hù)工作處于十分重要的地位，通過在農(nóng)村地區(qū)布設(shè)光伏組件，提供清潔能源，也很好地契合我國的綠色發(fā)展理念。

雖然當(dāng)前在農(nóng)村地區(qū)布設(shè)光伏組件還存在一些問題，但是應(yīng)以開放的眼光審視目前存在的問題，隨著技術(shù)和科技的進(jìn)步，未來這些問題一定能夠得到較好的解決，不能因噎廢食。我國有些地方的農(nóng)村屋頂上覆蓋了一塊塊藍(lán)色薄板，這些藍(lán)色薄板在光伏產(chǎn)業(yè)中的專業(yè)名稱是分布式戶用光伏電站。相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，我國有2.2億戶農(nóng)民，截至2020年年底，安裝了戶用光伏的村民只有150萬戶，滲透率相對(duì)處于一個(gè)非常低的位置。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的引領(lǐng)下，戶用光伏產(chǎn)業(yè)將是一個(gè)非常具有開發(fā)潛力的市場(chǎng)。

同時(shí)，在農(nóng)村地區(qū)布設(shè)光伏組件也很契合共享的發(fā)展理念，能夠通過并網(wǎng)讓全國各地共享農(nóng)村光伏提供的清潔能源，能夠激勵(lì)更多人投身光伏等清潔能源產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，促進(jìn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

《關(guān)于做好2022年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的意見》也指出，要逐步提高中央財(cái)政銜接推進(jìn)鄉(xiāng)村振興補(bǔ)助資金用于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的比重，重點(diǎn)支持幫扶產(chǎn)業(yè)補(bǔ)上技術(shù)、設(shè)施、營銷等短板，強(qiáng)化龍頭企業(yè)帶動(dòng)作用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)提檔升級(jí)。鞏固光伏扶貧工程成效，在有條件的脫貧地區(qū)發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。推進(jìn)農(nóng)村光伏、生物質(zhì)能等清潔能源建設(shè)。

可見在2022這一年，農(nóng)村光伏的發(fā)展也有很強(qiáng)的政策支撐，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該弘揚(yáng)社會(huì)擔(dān)當(dāng)精神，用創(chuàng)新和科技驅(qū)動(dòng)農(nóng)村光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在不考慮改善構(gòu)件材料相關(guān)的物理力學(xué)性能的前提下，提升光伏組件抗風(fēng)能力需要了解相應(yīng)的抗風(fēng)構(gòu)造措施以及其風(fēng)致響應(yīng)的相關(guān)機(jī)理，從設(shè)計(jì)和施工構(gòu)造兩個(gè)方面提升其抗風(fēng)能力。近十年相關(guān)研究較多，下文挑選了其中比較具有代表性的研究進(jìn)行了綜述。

3 光伏抗風(fēng)研究現(xiàn)狀綜述

3.1 傾角、間距比和安裝位置等對(duì)光伏風(fēng)致響應(yīng)性能的影響

2016年高亮、竇珍珍、白樺等[2]研究了風(fēng)荷載對(duì)光伏組件的影響，得出結(jié)論：光伏組件的不同傾角對(duì)風(fēng)荷載的敏感度有所不同，敏感度與傾角呈現(xiàn)線性正相關(guān)的關(guān)系，然后通過試驗(yàn)分析各影響因素并將其參數(shù)化。

2021年馬文勇、柴曉兵、馬成成[3]探索了傾角、間距比和安裝位置等相關(guān)重要因素，得出了這些因素對(duì)光伏組件風(fēng)荷載的影響規(guī)律。在特定風(fēng)向角下，組件受到風(fēng)荷載影響較大，背風(fēng)面風(fēng)荷載對(duì)間距比的敏感程度高于迎風(fēng)面。

因此，要結(jié)合光電效率和不同傾角的抗風(fēng)特性，兼顧光伏組件的安全耐久性能以及太陽能轉(zhuǎn)化功率，綜合考慮傾角、間距比、安裝位置等多個(gè)因素的耦合作用，充分利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 遮擋對(duì)光伏風(fēng)致響應(yīng)性能的影響

2019年江繼波、章正暘、陸元明等[4-5]研究了有遮擋物時(shí)風(fēng)荷載對(duì)光伏陣列的影響，得出結(jié)論：當(dāng)遮擋物的高度達(dá)到較大的數(shù)值時(shí)，光伏板受到的風(fēng)荷載不是升力而是壓力。同年，他們還對(duì)光伏板受風(fēng)荷載作用時(shí)的彎矩進(jìn)行了研究，光伏陣列的安裝傾角采用45°時(shí)所對(duì)應(yīng)的彎矩系數(shù)較大，因此采用45°的安裝傾角是不太合適的。

2020年吳童[6]研究了屋頂光伏陣列在所處環(huán)境不同時(shí)風(fēng)荷載對(duì)光伏陣列的不同影響，充分考慮了屋頂風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的變化以及建筑形狀對(duì)風(fēng)載的影響，為光伏板的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

2020年王京學(xué)[7]針對(duì)光伏板較薄、光伏板在強(qiáng)風(fēng)作用下易損的情況，進(jìn)行光伏板抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究，得出結(jié)論：光伏板風(fēng)壓分布規(guī)律與屋蓋圍護(hù)結(jié)構(gòu)是有所區(qū)別的，如果風(fēng)從傾斜的光伏板偏高的點(diǎn)吹向偏低的點(diǎn)，那么位于平屋蓋下游區(qū)的光伏板凈風(fēng)壓極值吸力相對(duì)偏大。

由此觀之，在光伏陣列周圍增設(shè)遮擋物進(jìn)行抗風(fēng)時(shí)，要充分考慮光伏板可能受到壓力的情況，如板中彎矩等。在考慮光伏陣列布置時(shí)要區(qū)別對(duì)待上游區(qū)和下游區(qū)，使下游區(qū)的光伏板凈風(fēng)壓極值吸力能夠滿足使用要求。

3.3 其他性能對(duì)光伏風(fēng)致響應(yīng)性能的影響

2019年李佳輝[8]對(duì)獨(dú)立柱式太陽能光伏板抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究，受光電轉(zhuǎn)換特性所限，太陽能光伏板絕大多數(shù)在戶外工作，且多為空曠處或者高處，缺乏遮擋結(jié)構(gòu)，所以太陽能板的抗風(fēng)研究很重要。對(duì)獨(dú)立柱式太陽能光伏板進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算得出結(jié)果：獨(dú)立柱式太陽能光伏板抗風(fēng)性能均能滿足所處工況的設(shè)計(jì)使用要求，驗(yàn)證了自然風(fēng)與列車風(fēng)共同作用的情形。

2019年李壽科、張雪、方湘璐等[9]對(duì)雙坡光伏車棚屋面抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：雙坡車棚屋面的最大吸力處于屋脊處，最大風(fēng)壓處于屋檐處。

2019年馬文勇、柴曉兵、劉慶寬等[10]研究了底部阻塞對(duì)太陽能光伏板的影響，太陽能光伏板使用過程中地面可能會(huì)起伏，植物也可能會(huì)生長(zhǎng)，這些因素可能導(dǎo)致底部氣流阻塞，研究結(jié)論：底部阻塞會(huì)很大程度上提高光伏板上的最強(qiáng)風(fēng)吸力，會(huì)一定程度上降低光伏板上的最強(qiáng)風(fēng)壓力及風(fēng)致彎矩。在目前的光伏使用中，應(yīng)盡量避免太陽能光伏板底部阻塞，及時(shí)處理，避免阻塞可能造成的不確定影響。

2021年吳立晴、邵國棟、劉釗等[11]對(duì)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)平單軸光伏電站穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和優(yōu)化，研發(fā)了減振裝置對(duì)起控制作用的特殊部位予以加強(qiáng)。

因此，在所處風(fēng)場(chǎng)條件允許的情況下，可以考慮采用獨(dú)立柱式太陽能光伏板來應(yīng)對(duì)不利風(fēng)場(chǎng)。在充分考慮光伏陣列的布置傾角、間距比和安裝位置等因素后，如果能夠?qū)χЪ艿闹匾厥獠课挥枰约訌?qiáng)，適度地提高強(qiáng)度，選擇合適的剛度，這樣能對(duì)光伏組件整體的抗風(fēng)能力予以增強(qiáng)[12]。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于光伏組件的抗風(fēng)性能，可通過以下途徑予以提升[13-16]：

1）對(duì)規(guī)范抗風(fēng)方面進(jìn)行完善，充分考慮，夯實(shí)光伏組件抗風(fēng)的理論基礎(chǔ)；

2）采用大數(shù)據(jù)以及人工智能等新技術(shù)對(duì)光伏組件進(jìn)行抗風(fēng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)改進(jìn)；

3）針對(duì)不同的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境選用不同的光伏陣列，調(diào)整傾角、間距比和安裝位置等，選用不同的安裝方式。