雪荷载:
第一步,利用公式求出有效雪压sk,v(注:雪覆盖在板上,不用考虑与板水平方向的雪压,只需考虑与板垂直方向的雪压)。
sk,v=u×ce×ct×sk×cosθ
其中,
u指积雪坡度系数,当系统倾角θ˂30度时,u=0.8;当系统倾角30度˂θ˂60度时,u=0.8×(60-θ)/30。
ce指暴露系数,推荐值为1。
ct指热力系数,推荐值为1。
第二步,根据上一步求得的雪压,利用公式推算雪荷载fs。
fs=sk×as
1.2日本标准
风荷载:
第一步,根据已知的地图基准风速vo(34m/s),利用公式求得风速度压qp。
qp=0.6×vo2×e×i
其中,
e指环境系数,i指用途系数。环境系数e需要推导,用途系数i可以直接查表(用途极其重要的选择系数1.32;用途一般重要的选择系数1.0)。
环境系数e利用公式推导。
e=er2×gf
其中,
er指平均风速系数(可以公式推导,与光伏矩阵离地高度h和地面粗糙度等级有关);gf指阵风系数(可以直接查表,与光伏矩阵离地高度h和地面粗糙度等级有关)
er=1.7×(zb/zg)a 适用于h小于zb;
er=1.7×(h/zg)a 适用于h小于zb;
本案例中:首先根据矩阵安装地点的地面粗糙等级iii查表,zg=450,zb=5,a=0.2;光伏矩阵高度h=4,h˂zb,则采用公式er=1.7×(zb/zg)a 即er=1.7×(5/450)0.2
阵风系数gf:地面粗糙等级iii,系统高度h˂10m,查表gf=2.5;
第二步,根据推算的风速度压qp,利用公式求得风压荷载wp。
wp=cw×qp
其中,
cw指风力系数,可以通过风洞试验获取精确的风力系数,也可以通过公式获取粗略的风力系数;qp指风速度压,在第一步中已经推算出来;as指系统受风面积。
风力系数cw根据安装类型(地面、屋面),安装角度,正压逆压(顺风、逆风),采用不同的公式。例如本案例中:顺风时的风力系数cw=0.65 0.009θ (15≤θ ≤45),逆风时的风力系数cw=0.71 0.016θ (15≤θ ≤45)
注:对于同一光伏矩阵,中间区域和端部区域的风力系数并不相同,端部区域的数值约等于中间区域的二分之一。
第三步,最后求得风荷载fw= wp×as
雪荷载:
利用公式直接求出雪荷载sp
sp=cs×p×zs×as
其中,
cs:坡度系数,当系统倾角θ˂30度时,cs=1.0;当系统倾角30度˂θ˂40度时,cs=0.75;当系统倾角40度˂θ˂50度时,cs=0.5;当系统倾角50度˂θ˂60度时,cs=0.25;
p:雪平均单位荷重(相当于1cm积雪的荷重,n·m2,推荐值为20n)
zs:地面垂直积雪量(m)
as:积雪面积(阵列面的水平投影面积,m2)
注:欧洲标准中在雪压直接在雪区地区中标注;日本标准中需要计算雪压:雪的平均单位荷重(n·m2)×地面垂直积雪量(m)
2.荷载组合工况不同
2.1欧洲标准定义的三种工况
下雪时:g s 0.6×wfrontside
顺风时:g 0.5×s wfrontside
逆风时:g wbackside
注:g指系统自重,s指雪荷载,wfrontside指风荷载(顺风),wfrontside指风荷载(逆风);
2.2日本标准定义的三种工况
平时:g
下雪时:g s
刮风时:g w
注:g指系统自重,s指雪荷载,w指风荷载;
(另:多雪区的荷载组合略有不同)
3. 力学模型不同
3.1欧洲标准
风荷载(顺风或逆风)除了一个与光伏矩阵板面垂直的压力,还有一个与光伏矩阵板面垂直的吸力。(当风荷载作用于太阳能板时,太阳能板就会发生翻转趋势,同时产生一个向外的作用力和一个向里的作用力);
系统自重和雪荷载均为铅锤方向。
3.2日本标准
风荷载(顺风或逆风)与光伏矩阵板面垂直,只假设跟风向一致的风压力,没有考虑风吸力;
系统自重和雪荷载均为铅锤方向。
4. 判定方法不同
4.1欧洲标准:
采用极限应力法,使用分项系数(1.35,1.50),计算三种工况下的极限荷载组合:
下雪时:1.35×g 1.50×(s 0.6×wfrontside)
顺风时:1.35×g 1.50×(0.5×s wfrontside)
逆风时:g 1.5×wbackside
判定:求出相应的极限应力,然后直接与材料的许用应力进行对比。如果求得的应力值小于材料的许用应力值,判断合格;反之失效。
4.2日本标准:
采用安全系数法,安全系数=1.5,计算三种工况下的荷载组合:
平时:g
下雪时:g s
刮风时:g w
判定:求出相应的应力值,然后乘以安全系数1.5,如果得出的应力值小于材料的许用应力值,判断合格;反之失效。
综上所述,这只是简单的矩阵模型分析,实际的光伏矩阵还要考虑屋面系统和地面系统的计算差异。另外,不同的标准所涉及的荷载推算公式,荷载组合工况,力学模型和判定方法都不太相同。当然,万变不离其宗,荷载确定后,力学模型确定后,力学分析和力学公式都是相同的。另附各国适用标准如下,仅供参考。
美国:ansi/asce 7-2010
澳洲:as/nzs 1170.2002
中国:gb 50009-2001
欧洲:eurocode 1
加拿大:nbc 1990
日本:jis8955, jis8956
英国:bs 6399
德国:din 1055 part 4
马来西亚:ms 1553:2002