组件“机械荷载测试” | IEC的那些不得不提的“漏洞”

组件“机械荷载测试” | IEC的那些不得不提的“漏洞”

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

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文章内为了表示方便

以下标准都采用其编号进行叙述

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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。

 

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▵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:

 

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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。

 

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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。

 

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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

 

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▵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)

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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。

 

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跟踪器受风时的气流速度云图

(来源:RWDI)

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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:

 

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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

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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▵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。

 

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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。

 

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        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。

 

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组件的“有效面积”比支架单跨小

因此“大组件风”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,而是随着时间的变化而变化。

 

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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

 

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▵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

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▵跟踪器的扭转变形模态分析

 

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▵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。

 

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▵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

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▵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

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▵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。

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▵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。

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▵动态机械荷载测试(MQT20)的目的

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▵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。

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▵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

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▵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。

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