组件“机械荷载测试” | IEC的那些不得不提的“漏洞”

来源：小树洞谈光伏支架

引导语

        我们在产品设计和项目设计的时候，往往会使用很多国际通用标准和规范，组件的结构设计也不例外。在大部分情况下，这些标准和规范帮助我们解决了许多现实的难题，引导工程师走向正确的设计路线上。但是我们也要警惕，世上并不存在完美的标准和规范，他们或多或少都有一些缺陷和漏洞。

 

        因此，我们在使用这类标准和规范的时候，也要擦亮眼睛，辩证地对待他们。这次小树洞就来好好检查下那些针对组件设计的标准，他们到底有什么陷阱和漏洞在等着我们呢？

目录：

1. 别忘了“压强系数”

2. 风压是不均匀的

3. 风压是动态的

4. 组件如何获得其真实性能

文章内为了表示方便

以下标准都采用其编号进行叙述

别忘了“压强系数”

        我们通过上一篇文章，了解了2400Pa的由来，IEC的初衷是要求组件能够抵抗130km/h的台风。愿望是美好的，但是现实是残酷的。假如组件通过了2400Pa的测试，就能抵挡13级台风，那么就不会出现那么多被风摧毁的光伏电站了。

 

▵2017年的飓风Irma

摧毁了美属维京群岛的一个光伏电站

 

所以问题究竟出在哪里呢？

IEC 61215标准规定了组件2400Pa的计算方式：

 

▵IEC 61215定义的2400Pa计算方法

        实际上我们在计算组件上的风压时，采用的都是当地国家的建筑荷载规范，大部分的规范都是采用诸如以下的公式进行风压的计算。

 

▵风荷载计算基本公式

2400Pa仅为其中一部分

        我们可以发现，2400Pa的计算仅仅考虑了风速本身的压力，其只是上面公式的一部分，而忽视了一个很重要的参数：压强系数。

 

        不同形状的结构在相同风速下，往往会产生不同的压强，比如在相同风速下，放置在0度时的组件风压要远小于45度时的风压。

 

▵随着角度的减小

空气流动受到的阻力减小

组件上的风压也会降低

 

▵在组件上的风压(蓝色实线和虚线)

0度时大约为45度的一半

（来源：IFI Wind Consultant）

▵相同风速下

45度时和0度时的风压对比

        风在吹组件的时候，会在组件的正面产生压力。当风略过组件后，会在组件背面产生涡流，从而导致组件背面产生更大的吸力。这两部分力（正面的压力，背面的吸力）相互作用在一起后，就对组件产生了风压，因此风压所导致的压强系数在很多情况下，往往都大于1.0。

 

▵跟踪器受风时的气流速度云图

（来源：RWDI）

▵跟踪器在受风时的压强

是风压力和风吸力的综合作用结果

所以，我们可以判定，IEC 61215要求的2400Pa风压是严重偏低的。

 

 

风压是不均匀的

        我们从前面的讨论中可以发现，组件上的风压是不均匀的。在讨论组件测试的方式前，我们先来看下在组件上可能产生的两种极端风压情况：

 

▵两种不同类型的风荷载工况

如上图所示，风压在组件上可能产生这两种情况：

 

• CASE A：风压近似均匀的分布在组件上，并且组件风压1等分时较大。

• CASE B：风压在组件局部区域较大，并且组件多等分时的极值较大。

        那么大家觉得CASE A和CASE B，哪一种情况对于组件的危害更大呢？我们在测试组件的时候是选择哪一种情况呢？

        当我们对照本系列开篇：翻译翻译，什么叫组件“机械荷载测试” | 组件为什么要做“机械荷载测试”？中介绍的组件失效模式，就能发现：

 

• CASE A对组件中部区域产生较大的风压，容易使组件玻璃被压溃

• CASE B对组件端部区域产生较大的风压，容易使组件边框被折断

▵组件结构破坏的几种形式

         因此，在组件测试的时候，需要同时考虑CASE A和CASE B。

         但是实际上，IEC标准仅仅考虑了CASE A这种情况，而忽视了CASE B。

         熟悉IEC 61215的朋友应该知道，该标准在对组件的机械荷载测试时，采用的是一种“均布荷载”的方式。也就是在组件上均匀放置相同重量的沙袋，这样使组件的每一处都是相同的压力。

 

▵MQT16静态机械荷载测试

沙袋被均匀地放置在组件上

        很显然，这种“均布荷载”的方式，并不能代表实际的风压。因为风在流经组件的时候，在组件上产生的压力都是“不均匀”的。这使组件表面的局部风压大小并不相等。

 

▵在以45度的情况举例

组件上的风压系数并不是均匀相等的

        如果按照IEC 61215的“均匀荷载”最大的理论，那么我们应该选择上面整体风压（组件风压1等分）最大的那个工况，也就是CASE A工况，在组件上均匀布置与1等分相似力的沙袋，然后测试组件是否能抵抗住这些力。

        但是这样选择的话就忽略了局部风压最大的情况。实际上局部风压过大的CASE B工况，才是大部分组件在户外受损的主要原因。

 

▵尽管CASE B的整体风压更低

但是它会对组件边框产生极大的弯矩

        从CASE B的图中我们还可以发现一个问题，当计算考虑的面积越大，这个面积里面的极大压强系数值就会被那些小的压强系数所“平均化”，CASE B组件的4等分极大值（如下图数值4），明显比其1等分（如下图数值2.5）要大许多。

 

▵计算考虑的长度

从25%L，50%L到100%L逐渐变大

压强系数从4，3.5到2.5逐渐变小

        这就好比一个班级的平均分数，都是小于班级排名第一的分数，倒数第一往往都是拖后腿的。

 

        因此计算考虑的面积越大，压强系数则越小。这也是为什么计算组件风压的压强系数，都会远大于支架设计所采用的压强系数。所以千万不可使用支架的压强系数来设计组件，这样计算出来的组件风压会很小。

 

▵组件的“有效面积”比支架单跨小

因此“最大组件风压”比“最大单跨风压”要大

 

        实际上，IEC的专家们也意识到了风压的不均匀性，目前IEC 61215和IEC 61730正在考虑加入不均匀风压测试的内容，我们等等看IEC的专家们怎么解决这个问题吧。

 

风压是动态的

        风荷载本身就是一种动态的荷载，它不是恒定不变的，而是会随着时间的变化而变化。

 

▵支架上受到的风压并不是时刻均值的

相邻之间的区域风压也不会相同

(来源：CPP)

        这种动态的荷载，如果作用到刚性不足的结构上后，就会与结构相互产生力的耦合，从而增加更大的力。我们称这种力的放大效果为“风致共振”。

 

▵虎门大桥的竖弯风致共振

        我们在设计光伏电站结构的时候，往往把重心放在了支架结构上。对于跟踪器来说，最容易出现的是“扭转风致共振”，这项研究在近两年各个头部跟踪器企业的大力推动下，成果非常显著，大家对如何避免“扭转风致共振”已经轻车熟路了。

▵跟踪器的扭转变形模态分析

 

▵跟踪器的扭转风致共振CFD仿真

（来源：RWDI）

        可是当“扭转风致共振”被控制住后，另一个“隐形杀手”却慢慢浮出水面，这一次它的主要目标并不是支架本身，而是组件。

 

        这个杀手也是风致共振家族的一员，称为“竖弯风致共振”。这种竖弯风致共振，就好像风压不间断地对组件施加压力，使组件上的变形越来越大，荷载能量越积越多，直到组件变形过大而被破坏。

 

▵这样玩过的朋友举手

人的力量不断地施加到桥上

导致桥的变形越来越大

▵跟踪器的竖弯变形模态分析

风荷载也会对组件施加动态的荷载

        相比较“扭转风致共振”影响的是跟踪器主轴的扭转力矩。“竖弯风致共振”则增大了垂直于组件的压强。在当跟踪器大角度停靠的时候，这种风压的增大效果尤其显著。当风速逐渐增大，结构开始发生有规律的震荡，风压就像摆锤一样，不间断地压到组件上，结构越晃越严重，风压越吹越大，组件上的压强则成倍增加。

 

        从结构角度来看，有以下几个因素影响“竖弯风致共振”的放大效应：

 

• 大风保护角度越大，竖弯共振效应越大

• 主轴抗弯能力越差，竖弯共振效应越大

• 主轴竖弯阻尼比越小，竖弯共振效应越大

• 立柱跨距越大，竖弯共振效应越大
  

• 组件越重，竖弯共振效应越大

• 组件弦长越长，竖弯共振效应越大

• 风速越大，竖弯共振效应越大
  

▵外围组件上的竖弯风致共振风压

最大为静态风压的1.6倍

如果考虑通常5%的阻尼比

最大也有1.2倍

        我们通过一些实际现场测试发现，在组件上的风压力往往会使组件产生2倍的重力加速度。

▵跟踪器现场实际测试获得的能量频谱曲线

可见大部分针对组件动态风荷载的高能量

集中在3~8Hz的范围内

（来源：NEXTracker）

组件如何获得其真实性能

        了解IEC 61215和IEC TS 62782的朋友可能会注意到，在这些标准里面包含了一项“动态”测试，也就是MQT20，动态机械荷载测试(Dynamic Mechanical Loading Test)。尽管这项测试冠以“动态”之名，但是和我们前面所谈的“动态风荷载”以及“竖弯风致共振”是完全不同的概念。

        根据IEC 61215-2的解释，动态机械荷载测试，针对的是组件在组装过程中产生的低强度机械应力变化。实际上这个测试既没有考虑风荷载的不均匀性，也没有考虑到结构的“竖弯风致共振”问题。

▵动态机械荷载测试（MQT20）的目的

▵动态机械荷载测试（MQT20）

（来源：EuroTech）

        那么如何来对组件的动态抵抗性能进行评估呢，我们可以从“外部荷载测试”和“内部性能测试”两方面来分析。

        外部荷载测试，指的就是要搞清楚施加在组件上的力、压强等信息，对于风荷载来说就是进行风洞测试，得到安装在支架上组件的静态和动态系数。

 

        内部性能测试，就是要测试获得组件自身的结构动力学特性数学模型，比如振型、阻尼、频率等等信息。这种信息往往可以通过“力锤激励测试”的方式来获得。

▵组件安装在跟踪器上进行风洞测试

（来源：Arctech）

        风洞测试我们已经非常熟悉了，下面简单介绍下力锤激励测试。

 

        力锤激励测试是一种经典（试验）模态分析，一句话概括其工作原理就是：通过测试获得数据，再利用快速傅里叶变换这类数学方法来获得频响函数，然后依靠频响函数就能得到组件结构动力学的参数。它往往会和有限元分析同时进行，利用力锤激励测试的结果来校准有限元模态分析的输入参数。

测试设备主要由三部分组成：

• 模态力锤，记录敲击力，激励物体产生振动和变形。

• 加速度传感器，获得物体振动的数据

• 数据采集器，采集和分析测试数据，得到测试结果
  
  

▵两种力锤激励测试的方法

（来源：Crystal Instruments）

        最后小树洞想提醒大家的是，组件上的风压并不是完全由组件自身决定的，合理设计光伏支架对于降低组件风压非常关键。