地面用晶硅光伏組件戶外載荷評估方法 編制說明

1《地面用晶硅光伏組件戶外載荷評估方法》編制說明根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會關(guān)于下達(dá)2024年第五批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計劃的通知》，國家標(biāo)準(zhǔn)《地面用晶硅光伏組件戶外載荷評估方法》（計劃號20242383-T-339）由全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC90）歸口管理，由隆基綠能科技股份有限公司牽頭編制，任務(wù)計劃完成時間為2025年。2、制定背景能否準(zhǔn)確有效地評估光伏組件戶外載荷能力是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵因素。目前，光伏組件產(chǎn)品依據(jù)《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計鑒定和定型》（IEC61215:2021）的要求進(jìn)行測試，通過對水平放置組件表面施加均勻荷載的方法評估光伏組件承載能力。但現(xiàn)有研究表明，IEC61215:2021規(guī)范中采用在組件表面施加均勻荷載的方法與戶外荷載實際分布存在差異，不足以全面評估戶外光伏組件失效風(fēng)險。所以僅參照已有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，無法滿足組件戶外實際使用工況下的可靠性要求。地面用晶硅光伏組件戶外載荷評估方法可準(zhǔn)確評估光伏組件在戶外運行下的承載能力，使光伏組件能更好地匹配其在戶外運行下的真實場景。該方法的實施應(yīng)用，可實現(xiàn)光伏組件不同載荷場景差異化設(shè)計，確保光伏電站有效、安全和經(jīng)濟(jì)地運行。3、主要工作過程（1）組建編制組2024年7月-9月，組成標(biāo)準(zhǔn)編制組。以隆基綠能科技股份有限公司為主導(dǎo)，包含北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司、中國華電科工集團(tuán)有限公司新能源技術(shù)開發(fā)公司、湖南大學(xué)、國家能源集團(tuán)國源電力有限公司、中國華能集團(tuán)有限公司、中國大唐集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院有限責(zé)任公司、中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計院有限公司、長三角太陽能光伏技術(shù)創(chuàng)新中心、阿特斯陽光電力集團(tuán)股份有限公司、江蘇中信博新能源科技股份有限公司等參編單位組成標(biāo)準(zhǔn)工作組。（2）召開啟動會2025年1月15日，項目啟動會在北京召開。隆基綠能標(biāo)準(zhǔn)項目團(tuán)隊以及來自中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、湖南大學(xué)、國家能源集團(tuán)、中國華電集團(tuán)、中國大唐集團(tuán)、中國電建集團(tuán)、陜西建工、安徽皖能、長三角光伏創(chuàng)新中心、鑒衡、CQC、CPVT、晶澳、阿特斯、黃河水電等十多家參編單位20余位專家出席了此次會議。各與會專家就草案內(nèi)容提出了意見建議并展開了專業(yè)討論。根據(jù)專家意見，2修改形成了征求意見稿。1、編制原則本標(biāo)準(zhǔn)以科學(xué)性、合理性和可行性為原則。為技術(shù)依據(jù)，基于IEC61215:2021規(guī)范中光伏組件測試和判定方法，結(jié)合二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)分布模型及其體型系數(shù)取值，創(chuàng)建地面用晶硅光伏組件戶外載荷評估方法。本標(biāo)準(zhǔn)基于我司及行業(yè)對光伏組件不均勻風(fēng)荷載研究，參考現(xiàn)行相關(guān)國標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及美標(biāo)、歐標(biāo)和澳標(biāo)等最新的風(fēng)荷載規(guī)范，在總結(jié)行業(yè)研究經(jīng)驗及現(xiàn)行國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定。本標(biāo)準(zhǔn)格式依據(jù)GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)則編寫。2、主要內(nèi)容荷載計算：包含風(fēng)荷載、雪荷載、光伏組件戶外荷載標(biāo)準(zhǔn)值及光伏組件戶外荷載測試值光伏組件戶外載荷測試及評估方法：戶外載荷測試目的、測試裝置、加載模型、前測試程序、測試程序、后測試程序及判定標(biāo)準(zhǔn)。3、編制過程中解決的主要問題考慮光伏組件風(fēng)荷載不均勻分布，提出二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)分布模型：該模型是考慮了垂直于光伏組件板面的風(fēng)壓分布及繞光伏組件短軸的彎矩，可更精確反映光伏組件表面風(fēng)載荷不均勻分布的實際情況參考《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（NB/T10115-2018）中局部體型系數(shù)取值，結(jié)合組件不同安裝傾角、風(fēng)向角的風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬分析結(jié)果，及美標(biāo)、歐標(biāo)和澳標(biāo)等最新的風(fēng)荷載規(guī)范的體型系數(shù)，給出光伏組件迎風(fēng)時及背風(fēng)時二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)國標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)荷載和雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定及相關(guān)系數(shù)取值，確定光伏組件戶外荷載標(biāo)準(zhǔn)值及戶外荷載測試值。參考《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計鑒定和定型》（IEC61215:2021）規(guī)范中光伏組件荷載測試和評估方法，結(jié)合二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)分布模型，創(chuàng)建地面用晶硅光伏組件戶外載荷評估方法。1、試驗驗證情況我司與湖南大學(xué)合作開展光伏組件風(fēng)荷載系數(shù)測定及抗風(fēng)性能提升研究，對固定支架和跟蹤支架剛性模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬分析。實驗制作7排3列組件剛性測壓陣列模型，對固定支架測壓3模型進(jìn)行了10個組件傾角、7個風(fēng)向角共70組試驗工況的風(fēng)洞試驗，對跟蹤支架光伏組件2P和1P剛性測壓模型各進(jìn)行3個組件傾角、7個風(fēng)向角共21組工況風(fēng)洞試驗。參考《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（NB/T10115-2018）中局部體型系數(shù)取值，結(jié)合組件不同安裝傾角、風(fēng)向角的風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)分布模型?；陲L(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬輸出光伏組件二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)如表1和表2。表1光伏組件迎風(fēng)時二分區(qū)分布風(fēng)荷載體型系數(shù)體型系數(shù)μsw11μsw22表2光伏組件背風(fēng)時二分區(qū)分布風(fēng)荷載體型系數(shù)體型系數(shù)μsl11μsl22通過對風(fēng)洞實驗和數(shù)值模型中風(fēng)荷載變化規(guī)律分析，光伏陣列中存在明顯的風(fēng)荷載干擾效應(yīng)，主要體現(xiàn)為外圍對內(nèi)圍的遮擋效應(yīng)，傾角越大、組件間距越小遮擋效應(yīng)越明顯。當(dāng)光伏組件陣列數(shù)大于7排時，建議考慮風(fēng)荷載遮擋效應(yīng)，對兩端第二列、第四行以內(nèi)光伏組件荷載進(jìn)行折減，折減系數(shù)可取0.8。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)排間距較大時，折減系數(shù)會迅速減小，因此對于組件間距較大電站項目，建議根據(jù)項目情況進(jìn)行分析后折減或者不折減。標(biāo)準(zhǔn)中二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)基于《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（NB/T10115-2018）中局部體型系數(shù)取值，結(jié)合風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬獲取的二分區(qū)體型系數(shù)取值，參考美標(biāo)、歐標(biāo)和澳標(biāo)等最新的風(fēng)荷載規(guī)范的體型系數(shù)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正和調(diào)整。現(xiàn)給出本標(biāo)準(zhǔn)體型系數(shù)與《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（NB/T10115-2018）中局部體型系數(shù)取值、美標(biāo)體型系數(shù)、澳標(biāo)體型系數(shù)及歐標(biāo)體型系數(shù)在迎風(fēng)時與背風(fēng)時取值對比，如圖1與圖2。4圖1國標(biāo)草案體型系數(shù)與不同國家標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)時體形系數(shù)對比圖圖2國標(biāo)草案體型系數(shù)與不同國家標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)時體形系數(shù)對比圖對比可知，本標(biāo)準(zhǔn)體型系數(shù)比歐標(biāo)等體型系數(shù)組件傾角取值范圍更大，與美標(biāo)相比體型系數(shù)取值幅值接近，對全球不同區(qū)域適配性更高。標(biāo)準(zhǔn)中僅考慮風(fēng)荷載和雪荷載。由于光伏組件設(shè)計時，光伏組件禁止上人即禁止站立于光伏組件表面進(jìn)行操作，因此不考慮活荷載。冰雹、石子撞擊等出現(xiàn)概率較小，采用合格光伏組件的光伏發(fā)電站是完全能夠抗擊普通常見冰雹天氣打擊的，采取必要的防護(hù)措施（如設(shè)置防護(hù)網(wǎng)、擋風(fēng)板等）也可減少石子飛濺對光伏組件的威脅，因此如無特殊要求，一般也可不予考慮。為提高光伏組件發(fā)電效率，5電站需要定期對光伏組件進(jìn)行清洗，一般性除塵計劃每兩周進(jìn)行一次，整體性清洗計劃每三個月或特別惡劣天氣周后進(jìn)行一次，因此積灰荷載亦可忽略不計?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)都是在平均風(fēng)壓基礎(chǔ)上的放大系數(shù)，它們都是因為要考慮風(fēng)壓風(fēng)荷載脈動而引入的。陣風(fēng)系數(shù)僅僅考慮了背景分量，適用于剛性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，不需要考慮結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，而只需要考慮風(fēng)速的瞬時變化產(chǎn)生的效果，適用于固定支架結(jié)構(gòu)計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。風(fēng)振系數(shù)除了風(fēng)場特性之外還和結(jié)構(gòu)的動力特性相關(guān)，對于跟蹤支架和柔性支架這種風(fēng)致敏感的結(jié)構(gòu)，需要考慮結(jié)構(gòu)本身的振動對荷載的放大效應(yīng)，宜用風(fēng)振系數(shù)計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。風(fēng)振系數(shù)依據(jù)風(fēng)洞實驗結(jié)果按隨機(jī)振動理論計算確定。組件在戶外主要受到兩類荷載作用，也就是風(fēng)荷載和雪荷載。這兩類荷載本身對組件結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生兩種不同形式的力?！豆こ探Y(jié)構(gòu)通用規(guī)范》（GB55001-2021）推薦風(fēng)荷載的組合值系數(shù)可取0.6,雪荷載組合系數(shù)可取0.7。標(biāo)準(zhǔn)中計算光伏組件戶外荷載測試值考慮安全系數(shù)，采用IEC61215:2021規(guī)范中推薦安全系數(shù)’m取值1.5?！痬的下小標(biāo)“m”指的是material(材料)的意思，它是考慮到測試組件與實際量產(chǎn)組件之間的材料差異，考慮到組件本身的材料不一致性，增加了1.5倍的安全系數(shù)，最終獲得測試負(fù)載。安全系數(shù)想表達(dá)的含義是：盡管某一塊組件達(dá)到了測試要求，但是這并不代表所有相同型號的組件都能通過測試。因為在生產(chǎn)加工過程中，材料本身的強(qiáng)度性能并不是100%完全一致的，不同組件之間可能存在差異，有可能會出現(xiàn)材料強(qiáng)度更差的情況。安全系數(shù)的選取必須體現(xiàn)即安全又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計思想。2、預(yù)期的效益本標(biāo)準(zhǔn)可對光伏組件在實際戶外運行條件下的承載能力進(jìn)行更準(zhǔn)確和合理評估，使光伏組件能更好地匹配其在戶外運行下的真實場景，加深測試在組件設(shè)計及選型中的實用性，實現(xiàn)光伏組件快速、高效的實現(xiàn)和驗證。本標(biāo)準(zhǔn)的實施運用能使光伏組件設(shè)計更好地匹配光伏組件在戶外實際運行下的真實場景，在低載荷場景，通過標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行組件設(shè)計及選型，實現(xiàn)組件差異化設(shè)計，大大降低組件成本；在高載荷場景，合理的進(jìn)行組件設(shè)計補(bǔ)強(qiáng)，確保光伏電站有效、安全和經(jīng)濟(jì)地運行。本標(biāo)準(zhǔn)的有效實施，填補(bǔ)國標(biāo)空白，為解決光伏組件戶外應(yīng)用產(chǎn)品可靠性評估難題提供統(tǒng)一評估方法，引領(lǐng)光伏行業(yè)發(fā)展，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，力求產(chǎn)品保持國際先進(jìn)水平。國際上IEC61215和IEC61730系列標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定組件載荷測試要求，但其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容描述與戶外實際承受工況及強(qiáng)度匹配度不高。6IEC61215在對組件的機(jī)械荷載測試時，通過對水平放置組件表面施加均勻荷載的方法評估光伏組件承載能力，這種“施加均勻荷載”的方式并不能代表實際的風(fēng)壓，因為風(fēng)在流經(jīng)組件的時候，在組件上產(chǎn)生的風(fēng)壓分布是“不均勻”的，該方法已無法有效評估光伏組價在戶外實際運行下的產(chǎn)品可靠性。本標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用二分區(qū)風(fēng)荷載體型系數(shù)分布模型，考慮了垂直于光伏組件板面的壓力及繞光伏組件短軸的彎矩，可以精確