引導(dǎo)語(yǔ)
項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況復(fù)雜，支架要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行適配性設(shè)計(jì)，但是很多工程師往往忽略了組件的項(xiàng)目適配性問(wèn)題。
不同地點(diǎn)的風(fēng)雪荷載有所不同，對(duì)于組件的抗壓能力要求也會(huì)不一樣。組件在實(shí)驗(yàn)室中都會(huì)通過(guò)機(jī)械荷載測(cè)試，來(lái)評(píng)估組件的抗壓能力，那么我們?nèi)绾问褂眠@個(gè)機(jī)械荷載測(cè)試的結(jié)果，來(lái)分析組件的項(xiàng)目匹配性呢？
目錄：
1. 兩種荷載:“測(cè)試荷載”和“設(shè)計(jì)荷載”
2.?安全系數(shù) r_m
3. 兩種狀態(tài):“SLS/ASD”和“ULS/LRFD”
4.?組件測(cè)試如何匹配項(xiàng)目要求
文章內(nèi)為了表示方便
以下標(biāo)準(zhǔn)都采用其編號(hào)進(jìn)行敘述
*全文共3602字20圖
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兩種荷載
測(cè)試荷載&設(shè)計(jì)荷載
上一篇說(shuō)到，IEC 61215-2是專門針對(duì)組件測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了大量的測(cè)試項(xiàng)目，這些測(cè)試項(xiàng)目被組合成了從A到F不同的“測(cè)試序列(Testing Sequences)”。
?組件測(cè)試序列
由上可知，“靜態(tài)機(jī)械荷載測(cè)試”的編號(hào)為MQT 16，處于測(cè)試序列E中。
這個(gè)測(cè)試目的是為了定義組件能夠承受的最小靜態(tài)荷載。在測(cè)試要求中包含兩種荷載，稱為測(cè)試荷載(Test Load)和設(shè)計(jì)荷載(Design Load)，我們根據(jù)IEC 61215-2的描述可以得知：
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測(cè)試荷載，是組件測(cè)試時(shí)施加到組件上的實(shí)際荷載大小
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設(shè)計(jì)荷載，是在測(cè)試荷載的基礎(chǔ)上考慮了安全系數(shù)后的荷載大小
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用公式描述即為：
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在很多的組件規(guī)格書或者安裝手冊(cè)里面，這兩種荷載往往同時(shí)出現(xiàn)。
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?測(cè)試荷載和設(shè)計(jì)荷載往往同時(shí)出現(xiàn)
（來(lái)源：First Solar）
但是我們知道，不同的項(xiàng)目地要求的風(fēng)雪壓荷載不同，那么在設(shè)計(jì)實(shí)際項(xiàng)目時(shí)，我們又該如何使用組件的測(cè)試荷載或者設(shè)計(jì)荷載呢，他們之間相差的安全系數(shù)又有意義呢？
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安全系數(shù)r_m
要想搞清楚測(cè)試荷載和設(shè)計(jì)荷載之前，我們需要先理解兩者之間相差的安全系數(shù)的意義。這個(gè)安全系數(shù)在IEC里面并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，不過(guò)了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的朋友應(yīng)該知道，在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法中有兩類分項(xiàng)系數(shù)(Partial Factor)，大家也習(xí)慣性地稱呼他們?yōu)?/span>安全系數(shù)(Safety Factor)：
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第1類分項(xiàng)系數(shù)：針對(duì)荷載施力的安全系數(shù)，考慮荷載的不確定性，比如荷載組合系數(shù)。
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第2類分項(xiàng)系數(shù)：針對(duì)結(jié)構(gòu)抗力的安全系數(shù)，考慮材料的不確定性，比如材料安全系數(shù)。
?兩類分項(xiàng)系數(shù)，r_F和r_M
（來(lái)源：EN 1990）
巧合的是，在歐標(biāo)EN1990里面，有個(gè)和IEC 61215-2的安全系數(shù)長(zhǎng)得一模一樣的分項(xiàng)系數(shù)，而這個(gè)r_m就是上面的第二類分項(xiàng)系數(shù)，稱為“材料分項(xiàng)系數(shù)”。
可見(jiàn)，r_m的下小標(biāo)“m”指的是material(材料)的意思，它是考慮到測(cè)試組件與實(shí)際量產(chǎn)組件之間的材料差異。因此我們可以判斷，IEC 61215-2用這個(gè)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(cè)試要求，但是這并不代表所有相同型號(hào)的組件都能通過(guò)測(cè)試。因?yàn)樵谏a(chǎn)加工過(guò)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(huì)出現(xiàn)材料強(qiáng)度更差的情況。
理論上，可以通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行大量的試驗(yàn)測(cè)試，然后采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，最后得到該材料的安全系數(shù)?？上У氖牵涠床](méi)有找到光伏組件的這類測(cè)試，那么按照IEC 61215-2的說(shuō)法，r_m取值1.5是否合理呢？
在EN 1990系列里面，對(duì)于不同的設(shè)計(jì)類別，規(guī)定了不同大小的材料安全系數(shù)。比如：
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?不同設(shè)計(jì)類別的分項(xiàng)系數(shù)r_M
（來(lái)源：EN 1990）
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我們知道組件本身是由鋁邊框和玻璃兩種材料組成的，不過(guò)在EN 1990系列中并沒(méi)有針對(duì)玻璃的材料安全系數(shù)。由于目前主流光伏玻璃為鋼化玻璃，未來(lái)是否會(huì)切換成浮法玻璃還未可知，因此小樹洞查找了其他標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)這兩類玻璃制品的安全系數(shù)要求：
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?其他標(biāo)準(zhǔn)的玻璃材料分項(xiàng)系數(shù)r_M
浮法玻璃需要的安全系數(shù)更大
從上面的資料可以看出，鋁的材料安全系數(shù)為1.1，鋼化玻璃的材料安全系數(shù)在1.2~1.8之間。這樣看來(lái)，在IEC 61215-2中規(guī)定的1.5倍安全系數(shù)，還是可以接受的。
不過(guò)需要注意的是，IEC 61215-2對(duì)于安全系數(shù)的理解和EN 1990還是存在一些偏差，但是這個(gè)偏差不影響我們的使用，這里我們就不多做討論了。
兩種狀態(tài)
SLS/ASD和ULS/LRFD
設(shè)計(jì)一款產(chǎn)品的時(shí)候，我們往往會(huì)考慮到這個(gè)產(chǎn)品的兩種情況：
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情況1：在外力作用下，產(chǎn)品一直能正常工作
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情況2：在外力作用下，產(chǎn)品雖然不能正常工作了，但是仍然沒(méi)被徹底破壞
而這兩種情況就是我們要講的兩種極限狀態(tài)
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正常使用極限狀態(tài)?SLS
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承載能力極限狀態(tài)?ULS
SLS(Serviceability Limit State)考慮的是諸如破裂(Cracking)和變形(Deformation)這樣的失效情況。ULS(Ultimate Limit State)考慮的則是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度失效情況。
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這兩種極限狀態(tài)的主要不同點(diǎn)，在于荷載組合的方式，以歐標(biāo)為例：
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?ULS和SLS的部分荷載組合形式
（來(lái)源：EN 1990）
SLS和ULS是LSD(Limit State Design)方法的兩種表現(xiàn)形式。LSD是一種比較新穎的設(shè)計(jì)方法，目前也被中國(guó)國(guó)標(biāo)以及海外的大部分設(shè)計(jì)規(guī)范所采用，只是叫法有所不同。在美國(guó)和澳大利亞等國(guó)家，LSD的ULS也被稱為LRFD(Load and Resistance Factor Design)。
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而早于LSD方法出現(xiàn)之前，還存在另外一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，稱為容許應(yīng)力法ASD (Allowable Stress?Design)。和SLS類似，ASD方法主要針對(duì)的是結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)(工作狀態(tài))，采用一個(gè)安全系數(shù)來(lái)獲得設(shè)計(jì)余量。所以在某些國(guó)家也稱為WSD(Working Stress Design)。
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?LRFD和ASD的部分荷載組合形式
（來(lái)源：ASCE 7-05）
說(shuō)了這些亂七八糟的名稱，可能有人都搞糊涂了。別管那么多，大家只要知道：
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SLS/ASD荷載，針對(duì)組件的正常使用狀態(tài)，考慮組件能否能正常工作
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ULS/LRFD荷載，針對(duì)組件的最終破壞狀態(tài)，考慮組件是否已經(jīng)被破壞
那么接下來(lái)的問(wèn)題就是，測(cè)試荷載(Testing Load)和設(shè)計(jì)荷載(Design Load)，它們與SLS/ASD以及ULS/LRFD有什么聯(lián)系？
組件測(cè)試如何匹配項(xiàng)目要求
根據(jù)上文的解釋，我們來(lái)總結(jié)下：
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IEC 61215-2規(guī)定組件本身具有兩類荷載能力：
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測(cè)試荷載，為組件測(cè)試時(shí)施加到組件上的實(shí)際荷載大小
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設(shè)計(jì)荷載，是在測(cè)試荷載的基礎(chǔ)上考慮了安全系數(shù)后的荷載大小
項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)有兩種荷載要求：
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SLS/ASD荷載，針對(duì)組件的正常使用狀態(tài)，考慮組件能否能正常工作
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ULS/LRFD荷載，針對(duì)組件的最終破壞狀態(tài)，考慮組件是否已經(jīng)被破壞
我們?cè)O(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，怎么來(lái)判斷組件抗壓能力是否足夠？組件的荷載能力如何匹配項(xiàng)目的荷載要求呢？為了回答這些問(wèn)題，我們先來(lái)看看組件測(cè)試到底是在測(cè)什么。
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根據(jù)最新2021版的IEC 61215-2，MQT16，機(jī)械荷載測(cè)試判定是否通過(guò)的準(zhǔn)則如下：
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測(cè)試過(guò)程中未檢測(cè)到間斷開路故障
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無(wú)主要可見(jiàn)的缺陷
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濕漏電流應(yīng)滿足與初始測(cè)量相同的要求
而更早的2005版IEC 61215，對(duì)于機(jī)械荷載測(cè)試的判定還有如下要求：
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最大輸出功率的衰減相比較測(cè)試前，不得大于5%
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絕緣電阻應(yīng)滿足初始時(shí)的相同要求
現(xiàn)在大部分廠家對(duì)機(jī)械荷載測(cè)試的判定，往往是將2021版和2005版的要求相互結(jié)合。
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由此可見(jiàn)，根據(jù)IEC 61215-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的組件“機(jī)械荷載測(cè)試”，測(cè)的是組件的正常使用狀態(tài)，也就是SLS/ASD。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(cè)試荷載。
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我們?cè)诳紤]組件匹配項(xiàng)目時(shí)，通常按照SLS/ASD的荷載組合形式來(lái)比較組件的設(shè)計(jì)荷載(Design Load)。
不過(guò)有的時(shí)候，第三方結(jié)構(gòu)工程師在審核組件時(shí)，還會(huì)要求對(duì)組件進(jìn)行極限機(jī)械荷載測(cè)試，也就是ULS荷載，出于這樣的考慮，則需要采用ULS荷載來(lái)進(jìn)行組件的機(jī)械荷載測(cè)試。
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還是舉前一篇文章的例子，我們來(lái)看看1.5SLS和ULS這兩種情況下的組件測(cè)試荷載大小。
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案例：
已知某地采用美國(guó)ASCE 7-05標(biāo)準(zhǔn)查得，50年一遇的風(fēng)雪壓分別為40m/s和0.8kPa。該地的某一個(gè)光伏電站處于開闊區(qū)域，重要性等級(jí)較低，地形平整。依據(jù)組件風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果，以10m高度、3秒陣風(fēng)為參考風(fēng)壓，組件風(fēng)壓系數(shù)如下圖所示。假如該項(xiàng)目采用1P跟蹤器，大風(fēng)保護(hù)角度為45度，不考慮跟蹤器氣彈角度變化，求該項(xiàng)目組件測(cè)試所需達(dá)到的壓強(qiáng)值？
?1P跟蹤器組件上的風(fēng)壓體型系數(shù)
?ULS/LRFD不考慮安全系數(shù)后的測(cè)試荷載
最大上揚(yáng)力3154Pa，最大下壓力2992Pa
?SLS/ASD考慮1.5倍安全系數(shù)后的測(cè)試荷載
最大上揚(yáng)力2957Pa，最大下壓力2655Pa
公眾號(hào)內(nèi)留言“組件壓強(qiáng)”
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至此，我們明白了組件測(cè)試的意義，以及如何采用設(shè)計(jì)荷載和測(cè)試荷載來(lái)匹配項(xiàng)目要求的方法。
