光伏组件风致响应研究现状综述

范士锦 ， 王皓冉

（四川水利职业技术学院，四川 成都 611200）

光伏组件是把性能比较接近、尺寸比较合适的整片光伏电池片，排列后串联或并联之后拼装而组成的。但光伏电池片的尺寸相对较大，以300 W的太阳能光伏板为例，其尺寸是1 960 mm*990 mm*35 mm，如果受到较大的风载作用，太阳能光伏板自身的强度和刚度都有可能无法满足使用要求，可能会使太阳能光伏板产生断裂或者较大的变形，也有可能导致太阳能光伏板不能正常使用或光电转换效率有所下降。

1 光伏产业总体前景展望

光伏组件抗风是光伏组件发展过程中不可回避的课题，2015年台风“彩虹”[1]登陆广东后，对光伏板矩阵造成了一定程度的破坏，这给光伏组件的发展也打了一剂预防针。虽然此次台风导致光伏板矩阵的破坏很大程度上是因为光伏板承受的风荷载远远超过了设计标准值，但也应从此次风灾中吸取教训，通过对光伏组件抗风能力的提升和风致响应机理的研究最大限度地降低较强风荷载对光伏组件的破坏，在认识和实践层面都加以提升，最大限度地保障光伏产业的高质量发展。

“十四五”期间，光伏产业要直面大势所趋下的平价时代和日趋激烈的国际贸易竞争，中国光伏行业协会预计“十四五”期间我国光伏年均增量将达到7 000万kW。众所周知，光伏组件的抗风性能影响着其在大风多发区的应用，如果能有效提高光伏组件的抗风性能，势必能为光伏产业添砖加瓦。

2 光伏产业在农业方面的应用前景展望

十九大报告指出，农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题，必须始终把解决好“三农”问题作为全党工作的重中之重，实施乡村振兴战略。而光伏产业和乡村振兴有较好的融合点。

我国广大农村地区具有充足的太阳能，也具有充足的可以布设太阳能光伏组件的空间，如果能够将光伏组件较好地布设在我国广大农村地区，这将是一项光伏产业升级的创新性举措。发展太阳能产业也能够更好地带动我国农村地区的经济发展，推动我国经济的整体高质量发展，让我国农村经济迈上新台阶。

在我国广大农村地区布设太阳能组件，也能够更好地协调我国的城乡发展，让农村地区能够通过光伏组件并网提高当地农民收益，从而缩小城乡贫富差距。

正所谓“金山银山不如绿水青山”，农村地区的生态保护工作处于十分重要的地位，通过在农村地区布设光伏组件，提供清洁能源，也很好地契合我国的绿色发展理念。

虽然当前在农村地区布设光伏组件还存在一些问题，但是应以开放的眼光审视目前存在的问题，随着技术和科技的进步，未来这些问题一定能够得到较好的解决，不能因噎废食。我国有些地方的农村屋顶上覆盖了一块块蓝色薄板，这些蓝色薄板在光伏产业中的专业名称是分布式户用光伏电站。相关调查结果显示，我国有2.2亿户农民，截至2020年年底，安装了户用光伏的村民只有150万户，渗透率相对处于一个非常低的位置。业内人士预计，在碳达峰、碳中和目标的引领下，户用光伏产业将是一个非常具有开发潜力的市场。

同时，在农村地区布设光伏组件也很契合共享的发展理念，能够通过并网让全国各地共享农村光伏提供的清洁能源，能够激励更多人投身光伏等清洁能源产业的建设，促进我国光伏产业的蓬勃发展。

《关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的意见》也指出，要逐步提高中央财政衔接推进乡村振兴补助资金用于产业发展的比重，重点支持帮扶产业补上技术、设施、营销等短板，强化龙头企业带动作用，促进产业提档升级。巩固光伏扶贫工程成效，在有条件的脱贫地区发展光伏产业。推进农村光伏、生物质能等清洁能源建设。

可见在2022这一年，农村光伏的发展也有很强的政策支撑，相关企业应该弘扬社会担当精神，用创新和科技驱动农村光伏产业的发展。

在不考虑改善构件材料相关的物理力学性能的前提下，提升光伏组件抗风能力需要了解相应的抗风构造措施以及其风致响应的相关机理，从设计和施工构造两个方面提升其抗风能力。近十年相关研究较多，下文挑选了其中比较具有代表性的研究进行了综述。

3 光伏抗风研究现状综述

3.1 倾角、间距比和安装位置等对光伏风致响应性能的影响

2016年高亮、窦珍珍、白桦等[2]研究了风荷载对光伏组件的影响，得出结论：光伏组件的不同倾角对风荷载的敏感度有所不同，敏感度与倾角呈现线性正相关的关系，然后通过试验分析各影响因素并将其参数化。

2021年马文勇、柴晓兵、马成成[3]探索了倾角、间距比和安装位置等相关重要因素，得出了这些因素对光伏组件风荷载的影响规律。在特定风向角下，组件受到风荷载影响较大，背风面风荷载对间距比的敏感程度高于迎风面。

因此，要结合光电效率和不同倾角的抗风特性，兼顾光伏组件的安全耐久性能以及太阳能转化功率，综合考虑倾角、间距比、安装位置等多个因素的耦合作用，充分利用数理统计和实验验证。

3.2 遮挡对光伏风致响应性能的影响

2019年江继波、章正暘、陆元明等[4-5]研究了有遮挡物时风荷载对光伏阵列的影响，得出结论：当遮挡物的高度达到较大的数值时，光伏板受到的风荷载不是升力而是压力。同年，他们还对光伏板受风荷载作用时的弯矩进行了研究，光伏阵列的安装倾角采用45°时所对应的弯矩系数较大，因此采用45°的安装倾角是不太合适的。

2020年吴童[6]研究了屋顶光伏阵列在所处环境不同时风荷载对光伏阵列的不同影响，充分考虑了屋顶风场环境的变化以及建筑形状对风载的影响，为光伏板的抗风设计提供了理论支撑。

2020年王京学[7]针对光伏板较薄、光伏板在强风作用下易损的情况，进行光伏板抗风设计研究，得出结论：光伏板风压分布规律与屋盖围护结构是有所区别的，如果风从倾斜的光伏板偏高的点吹向偏低的点，那么位于平屋盖下游区的光伏板净风压极值吸力相对偏大。

由此观之，在光伏阵列周围增设遮挡物进行抗风时，要充分考虑光伏板可能受到压力的情况，如板中弯矩等。在考虑光伏阵列布置时要区别对待上游区和下游区，使下游区的光伏板净风压极值吸力能够满足使用要求。

3.3 其他性能对光伏风致响应性能的影响

2019年李佳辉[8]对独立柱式太阳能光伏板抗风性能进行了研究，受光电转换特性所限，太阳能光伏板绝大多数在户外工作，且多为空旷处或者高处，缺乏遮挡结构，所以太阳能板的抗风研究很重要。对独立柱式太阳能光伏板进行了有限元分析，计算得出结果：独立柱式太阳能光伏板抗风性能均能满足所处工况的设计使用要求，验证了自然风与列车风共同作用的情形。

2019年李寿科、张雪、方湘璐等[9]对双坡光伏车棚屋面抗风性能进行了研究，得出结论：双坡车棚屋面的最大吸力处于屋脊处，最大风压处于屋檐处。

2019年马文勇、柴晓兵、刘庆宽等[10]研究了底部阻塞对太阳能光伏板的影响，太阳能光伏板使用过程中地面可能会起伏，植物也可能会生长，这些因素可能导致底部气流阻塞，研究结论：底部阻塞会很大程度上提高光伏板上的最强风吸力，会一定程度上降低光伏板上的最强风压力及风致弯矩。在目前的光伏使用中，应尽量避免太阳能光伏板底部阻塞，及时处理，避免阻塞可能造成的不确定影响。

2021年吴立晴、邵国栋、刘钊等[11]对强风地区平单轴光伏电站稳定性进行了分析和优化，研发了减振装置对起控制作用的特殊部位予以加强。

因此，在所处风场条件允许的情况下，可以考虑采用独立柱式太阳能光伏板来应对不利风场。在充分考虑光伏阵列的布置倾角、间距比和安装位置等因素后，如果能够对支架的重要特殊部位予以加强，适度地提高强度，选择合适的刚度，这样能对光伏组件整体的抗风能力予以增强[12]。

4 结语

综上所述，对于光伏组件的抗风性能，可通过以下途径予以提升[13-16]：

1）对规范抗风方面进行完善，充分考虑，夯实光伏组件抗风的理论基础；

2）采用大数据以及人工智能等新技术对光伏组件进行抗风监测，及时发现问题，及时改进；

3）针对不同的风场环境选用不同的光伏阵列，调整倾角、间距比和安装位置等，选用不同的安装方式。