来源：小树洞谈光伏支架
今年第9号台风“利奇马”（超强台风级）的中心已于10日01时45分在浙江省温岭市城南镇登陆，登陆时中心附近最大风力有16级（52米/秒），中心最低气压930百帕。
▵台风“利奇马”登陆瞬间
(来源：NOAA)
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台风天，大家都选择在家里，尽量不出门。但是在户外的光伏电站却没有那么多选择，只能“坚守”在自己的工作岗位上，而光伏支架作为稳固和支撑整个电站的设备，其抗风性能则显得尤为重要。但是台风一来，还是有很多支架“翻了肚皮”，这是什么原因呢？
小树洞曾看过一些年轻工程师所写的光伏支架计算书，其中一个错误出现的频率非常高。那就是阵风或者风振系数的选取。
一些工程师使用1.0来忽略阵风或者风振系数，这样会使计算的风压至少比实际值小1.4倍，最大可能是5倍。
这篇文章，小树洞就来说说这两个系数的意义和区别。
先说结论：
固定支架
按照围护结构进行设计，采用GB50009表8.6.1的阵风系数。
跟踪系统
按照主要受力结构设计，采用风振系数，需要进行风洞测试。
▵国标GB50009上选取的阵风系数
先来谈谈风速，风有两种比较重要的参数，一个是“重现期”，公众号之前《千年一遇？台风是要成精了》系列已经有所介绍。另外一个就是“时距”，目前世界上风荷载规范主要有三种风速时距，3s阵风风速，10分钟平均风速，1小时平均风速。这三种风速大小可以互相进行转换。
▵美标提供的时距转换曲线(Durst Curve)
而不管任何规范，选取的是哪一种时距的风速，最终都会使用各种系数，来将10分钟或者1小时的风速转换成3s阵风风速，再进行最终的计算。这是为什么呢？
我们知道对于自然风而言，它是由两种类型的风荷载组成的：
周期较长的平均风荷载
周期较短的脉动风荷载
其中平均风荷载可类比为一种静态的力，而脉动风荷载因为其具有随机性，情况比较复杂。1967年，著名的风工程科学家-Davenport提出了一种方法来简化这种脉动风荷载的计算，称之为GLF(Gust Loading Factors)，简单的来说就是在静态力上再乘以一个大于1的系数(阵风系数或风振系数)来拟真这类脉动风荷载。
而对于脉动风荷载来说，又有两种分量需要考虑：
背景分量，考虑风速的瞬时变化，阵风系数
振动分量，考虑结构的振动响应，动态放大系数
我们知道，国标GB50009在计算风荷载时有两种方法供选择：
计算主要受力结构时，考虑风振系数
计算围护结构时，考虑阵风系数
这里的阵风系数仅仅考虑了背景分量，适用于刚性较强的结构。而风振系数既考虑了风的背景分量，也考虑了结构振动的响应，适用于刚性较弱的结构。
对于基本频率较高的部分固定支架和屋顶支架，仅考虑阵风系数即可，可以按照围护结构进行设计。
对于跟踪器这种风致敏感的结构，则需要考虑结构本身的振动对荷载的放大效应，需要考虑风振系数，应该按照主要受力结构进行设计。
如前面所述，当结构刚性较强时，则不需要考虑结构的振动响应，而只需要考虑风速的瞬时变化产生的效果，那么这时就只要在平均风荷载上(国标，欧标，日标都为10分钟平均风荷载)乘以一个阵风系数(Gust Factor)即可。
下面我们就分别用美标和欧标来进行详细讲解：
▵美标的3秒阵风风速为40m/s左右
▵欧标的10分钟风速为30m/s左右
阵风系数是指瞬时风荷载(或风速)相较于平均风荷载(或风速)的比值。而随着高度的增大，脉动风荷载的效应降低，阵风系数也相应的减少。
▵阵风系数的计算图例
▵阵风系数随高度的增加而递减(来源：WMO)
▵阵风系数随粗糙度的增加而增大
(来源微信公众号：同济风工程)
▵与阵风系数变化趋势相吻合
通常我们把3秒的瞬时风速称之为3秒阵风风速(3s gust wind speed)，对于欧标来说，系数Exposure Factor-Ce(z)就是将10分钟的风速转换成了3s阵风风速。所以这个Ce(z)也就是我们所说的阵风系数。
▵10分钟风速(绿虚线)与
3s阵风风速(黑实线)的关系
对于美标，尽管也有Gust Factor-G，但是这个G并不是我们常说的阵风因子，而是考虑了风速瞬时作用到结构面积比较大的建筑物上时，建筑物上各个区域的风压并不是瞬间都是相同的，实际风压会有折减，因此对于大型建筑物，这里G是取0.85。而对于跟踪器，因为其有效特征长度都在2~4米左右，结构比较“小”，瞬间的风压可以看成是相同的，所以在计算时应该取1.0。在进行风洞测试时，往往将G和CN(也就是压力系数Cp)合并在一起，取做GCN。
▵欧标/美标/加标
三种不同时距风速规范的计算对比
当我们找到每个规范里面的阵风因子后，不管是10分钟风速的欧标、3s阵风的美标，还是1小时平均风速的加标，就可以使用同一套3s阵风下的风洞系数了。
前面所讲的“阵风系数”，主要针对的是刚性较强的结构，对于像跟踪系统这样刚性较弱的结构，还需要考虑其结构振动所带来的额外风荷载，也就是我们说的“风振系数”。
对于国标来说，风振系数既包括了单纯的瞬时变化的脉动风荷载(相当于阵风系数)，又包含了结构的动态响应。但是对于使用3秒阵风的规范，例如美标，只需要考虑结构的动态响应即可，这时需要乘上的系数则称之为“动态放大系数-DAF(Dynamic Amplificaiton Factor)“。
对于同一个角度，同一种设计的跟踪系统，影响DAF这种系数的主要有以下几点：
风速越大，DAF越大
结构频率越小，DAF越大
结构阻尼比越小，DAF越大
对于跟踪器来说，DAF数值的大小有时甚至可以到达5.0，也就是说实际考虑了风致共振后的荷载是静态风荷载的5倍。
▵跟踪器扭转模态时DAF随St数的关系
其DAF最高可达1.63倍
(来源：IFI文章-Peak Wind Loads on Single-axis PV Tracking System)
可以说，空气动力学分析在光伏支架设计中的地位非常重要，相比较结构力学或者材料力学来说，气动力学也是最有趣的部分。各位工程师在设计计算支架结构时，需要时刻保持严谨的态度，对任何一个系数都要“刨根问底”，这样才能打破知识局限，更上一层楼。
原文始发于微信公众号（坎德拉学院）：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！