VRLC5导流板
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摘要：本文主要介绍了京东方北京8.5代线厂房屋顶采用新型结构体系安装的光伏电站，并对该结构进行系统分析。
关键词：BAPV 、流体力学、光伏电站、2MW、不上人屋面
Abstract: This paper introduces the BOE 8.5-generation line of plant roof with a new structural system installed photovoltaic power plants, and the structure of the system analysis.
Keywords: BAPV, fluid mechanics, photovoltaic power plants, 2MW, Master roof
中图分类号：V268.1文献标识码：A 文章编号：
BAPV即Building Attached PV 附属建筑物的光伏电池。
兆瓦级的光伏电站建设和安装需要占用大量的面积，在土地资源越来越稀缺的城市中，大量的建筑墙体及屋顶无疑是一个绝佳的安装场地。但在一些特殊的建筑物上不允许过大不允许破坏原有建筑的防水层。
导流板采用流体力学原理，无需使用大量负重块和破坏屋顶结构，通过风压力即可将光伏组件建设在屋顶上。
1． 项目概况：
该工程位于北京市亦庄经济技术开发区国内首条8.5代TFT-LCD生产基地1#厂房 ，该建筑屋面在设计时为不上人屋面，每平方米只能承受0.5KN的力，同时该厂房对防水、保温等性能要求比较高，无法采用传统的建筑光伏屋顶的固定形式。而采用导流板在不增加过多的负重或破坏防水的情况下也能满足其屋顶光伏电站的建设要求。
图一：导流板现场安装图
2.设计参数
建筑高度43.2m，屋顶总面积6.46万平方米，
按北京地区50年一遇的荷载工况设计计算：基本风压0.45kN/m2；基本雪压0.40kN/m2。
组件的安装角度，在满足结构安全要的同时使光伏组件发电功率最大化，从而达到经济效益的最大化。
3.结构设计分析
3.1根据客户选用的组件及系统的设计要求：
组件尺寸为：1650*992*45mm，系统安装角度：15°，前后支撑座间距为965mm，前后排之间间距为1800mm。
图二：项目安装示意图
3.2 按照建筑荷载规范计算
3.2.1设计规范
《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
《钢结构设计规范》GB50017-2003
3.2.2载荷分析
按照北京地区的风荷载做计算
风载荷
根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中规定
导流板板支架系统主要考虑风对支架的倾覆作用，对雪荷载不作考虑。
3.2.3计算分析
图三屋顶导流板受力图
按荷载效应组合每跨间荷载
(1)：在时候
F1=1.65*0.992*（-0.418）=-0.683KN
F2=1.65*0.255*（-0.418）=-0.176KN（每跨受的风荷载）
(2)：在时候
F1=1.65*0.992*（-0.488）=-0.799KN
F2=1.65*0.255*（-0.488）= -0.205KN（每跨受的风荷载）
图四 简单的受力分析
在时候
Fy1=cos15*F1=0.66KN( )
Fy2=cos56F2=0.1KN( )
FX1=sin15F1=0.177KN( )
FX2=sin56F2=0.146KN( )
Q组件及支架=0.27KN（）
垂直方向Q =F总-Q组件及支架 =0.66+0.1-0.27=0.49KN（）…上浮
水平方向Q =Fx1-Fx2 =0.177-0.146=0.031KN （ ）…向后移动
按现有建筑结构荷载规范中的数据计算，为了满足该系统在50年一遇的风荷载情况下安全稳固，每跨间需要再增加负重:
(Fy1 + Fy1 )*1.4- Q组件及支架=0.794KN
已知风荷载在水平方向的作用力为0.031KN，欲使系统稳固，需在水平方向有一个摩擦阻力。
摩擦力计算： F =μN
已知 F=0.031安装底铝轨与水泥地摩擦系数为0.3
则N=F/μ计算得N=0.1KN
N为需要额外增加的负重
总共需要加载的负重为：0.794KN+0.1KN=0.894KN
在时候
Fy1=cos15*F1=0.772KN( )
Fy2=cos56F2=0.115KN( )
FX1=sin15F1=0.207KN( )
FX2=sin56F2=0.17 KN( )
Q组件及支架=0.27KN（）
垂直方向Q =F总-Q组件及支架 =0.772+0.115-0.27=0.617KN （）…上浮
水平方向Q =Fx1-Fx2 =0.207-0.17=0.037KN （）…向后移动
按现有建筑结构荷载规范中的数据计算，为了满足该系统在50年一遇的风荷载情况下安全稳固，每跨间需要再增加负重:
(Fy1 + Fy1 )*1.4- Q组件及支架=0.972KN
已知风荷载在水平方向的作用力为0.037KN，欲使系统稳固，需在水平方向有一个摩擦阻力。
摩擦力计算： F =μN
已知 F=0.037安装底铝轨与水泥地摩擦系数为0.3
则N=F/μ计算得N=0.12KN
N为需要额外增加的负重
总共需要加载的负重为：0.972KN+0.12KN=1.092KN
即约110kg负重
3.3 风洞实验分析
风洞：在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力实验的一种设备。
风洞试验：指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法
在建筑荷载设计规范中提及：涉及关于固体与流体相互作用的流体力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂，无法给出理论上的结果，一般均应由试验确定。
3.3.1检测对象
该检测针对太阳能电池板在平面屋顶采用导流板安装的系统。安装角度为15°
3.3.2 雷诺数对系统影响的确定
在模型测试过程中可以确定的是，模拟风的流向跟动力学情况是相似的，在使用过程中作用在电池板上的风吹条件不是很明确，因此初步试验的时候首先要确认一下，雷诺数对气体动力学系数有什么样的影响。
图五 的系数和雷诺数的关系
从上图显示，随着雷诺数的增大，CY值趋向于0, 而CX 和CZ值却没有在雷诺数较高区域表现的很有规律。所以关于雷诺数的影响还要在第三部分作进一步的测试。
3.3.3检测结果
针对导流板安装角度为15度作测试：
对空气动力学相关的3个力Fx, Fy 和Fz,以及在固定坐标里3个方向上的力矩都有进行测试，就像在插图上显示的那样，原始坐标位置在测试地段所在地面的转盘中心，力矩也是根据原始坐标来确定的。整个检测过程在模拟风吹入角度0-180度的情况下分5步完成。这里0度指的是风从前端正面吹，180度指的是从后面吹的情况。
图六 力的坐标图以及模拟风吹的方向图
借助于空气动力学系数将所测量的力和力矩带入以下公式：
力的系数力矩系数
系数大小取决于以下数据：
Fx, Fy, Fz : 力的测量值
Mx,My,Mz: 力矩测量值
Rho/2x U2 : 风流产生的滞点压力
A= 0,4084m2 模型中的组件面积
L=0,495m模型中的组件长度
实验于实际为1：2的模型
3.3.4 实验结论
平面屋顶导流板系统适用于所有风速小于160km/s的工况。如果屋顶有足够的承重能力的话，该系统能够承受2.0KN/m2的雪压。
4.结语
vrlc5导流板系统结核流体力学原来，完美的解决了在一些有特殊要求的建筑屋顶上建设光伏电站的需求。
参考文献：
《建筑结构荷载规范》--GB 50009-2001（2006版），
李小芹，工程流体力学，中国水利水电出版社，2009
郭荣良，流体力学及应用，机械工业出版社，1996
张相庭，结构风工程，中国建筑工业出版社，2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。