千年一遇?台风这是要成精了!(上篇)

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来源:小树洞谈光伏支架

作者:John Smart

引言

上周台风“山竹”登录广东,很多视频和媒体往往都喜欢拿“百年一遇”甚至“千年一遇”来描述台风的破坏力。有人会问,仅仅才活了二十几年,却遇到了50年一遇的雪灾,100年一遇的洪灾,600年一遇的海啸,怎么这么倒霉。那么这个所谓的“百年一遇”、“千年一遇”又具体指的是什么意思呢,下面跟随小树洞一起来分析其中的含义。

“百年一遇”的重现期其实是一种概率

我们常常用重现期(MRIs, Mean Recurrence Intervals)来描述一个气象灾害的大小,而重现期通常使用单位“年”来进行表示。我们往往会被这种表示方式所迷惑,但是实际上重现期的真实含义并不是指“多少年才会出现一次”而是“每年出现这种气象灾害的概率”。所以重现期又称“年超越概率”(Annual Exceedance Probability)。

我们设计光伏跟踪器时常用“50年一遇”的风速来计算基本风压,而所谓50年一遇的风速,实际上是指,每年的台风会超过这种风速的概率是五十分之一,也就是年超越概率为2%(0.02)。

耿贝尔分布,以小窥大。

如果需要收集100年,甚至1000年的气象数据,才能计算得到今年对应的年超越概率,那么我们就需要从北宋天禧二年开始收集资料了。

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▵ 哈?朕可没空!

当然不用,只需要获得该地区的几十年的气象数据,使用耿贝尔(Gumbel)概率分布,就可以来拟合得到50年,100年甚至1000年概率的风速。

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▵ 耿贝尔分布曲线,μ为尺度参数,β为分布密度

耿贝尔分布有很多种叫法,它其实是极值分布的一种,由于其型式参数为0,所以可称为极值I型分布。又因为极值分布是由Ronald Fisher和L. H. C. Tippett在1928年发现,所以也称为Fisher-Tippe分布。既然不是耿贝尔发明的,那为什么行业内总以耿贝尔来命名这种分布函数呢?因为正是耿贝尔在1941年首次将它运用在了水文研究上。

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▵ 耿贝尔在微笑

根据几十年的一系列数据(每年的极大值),我们就可以运用耿贝尔分布预测百年甚至千年的超越概率。当然数据越多,预测的就越准。

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这里使用的是Weibull分布预测


重现期不等于设计使用寿命

很多没有接触过重现期的工程师往往会把重现期和设计使用寿命搞混淆。原因就是这两个概念都是以“年”为单位。所谓设计使用寿命指的是建筑物在设计寿命内能正常使用。

以光伏跟踪器为例,其设计使用寿命为25年,如果使用50年一遇的风速来进行计算,那么在25年的使用寿命里,有多大的概率会出现50年一遇的风速呢?

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▵ 50年一遇在25年内出现的概率为39.7%

按照这样的话,使用50年一遇的风速,就有接近40%的概率,会出现实际风速大于设计风速的情况了。

事实上随着极端天气的频繁发生,这样的情况正在变的越来越多。

2017年8月30日,飓风Irma袭击了美国佛罗里达州,登陆时其1分钟平均风速甚至达到了惊人的130mph(58.11m/s)。根据后来的分析,该飓风的重现期接近250年一遇。直接经济损失达647亿美元,这也给该州的光伏电站带来了前所未有的挑战,很多光伏电站纷纷被吹毁。


千年一遇?台风这是要成精了!(上篇)

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灾后,FCX Solar联合“加勒比公共电力设施公司(CARILEC)”以及“Solar Island Energy”一起针对被这次飓风损坏的光伏电站(主要是损坏的光伏支架)进行了详细的分析。


千年一遇?台风这是要成精了!(上篇)

总结出了以下8点常见的失效模式:

1. 采用压块式安装的组件容易产生“多米诺骨牌式连锁效应”

2. 支架强度设计不足

3. 固定支架未考虑东西侧向风荷载

4. 螺栓强度设计不足

5. 螺栓未完全紧固

6. 支架节点设计未考虑颤振等动态风荷载

7. 组件本身的抗压能力不足

8. 自攻螺栓失效


欲知详细内容,可在公众号内回复 美国飓风 即可获得该电子版报告。

用重现期区分重要性

很显然,医院、核电站这样的建筑物,远远比我们光伏电站要重要。在海外的建筑荷载规范里,使用重现期恰恰就可以来区分不同重要性的建筑物。

比较典型的比如美标ASCE 7-05/10和澳大利亚规范NCC以及AS1170.0/2。

那么如何选择重现期对光伏跟踪系统进行设计呢,我们且听下回分解。

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原文始发于微信公众号(坎德拉学院):千年一遇?台风这是要成精了!(上篇)

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