太阳能跟踪器自激临界风速与不确定性测定：阻尼驱动失稳机制与动态阈值模型研究

本研究针对光伏跟踪器在风荷载下的气动弹性失稳问题，通过半经验公式与实验准则的系统对比，提出基于机械特性的动态阈值模型，解决了临界风速判定标准不统一的难题。研究建立了RMS与振幅的等效关系，开发了非线性回归不确定性量化框架，为跟踪器抗风设计提供了理论依据与实验范式。

　　

在全球能源转型背景下，光伏发电作为最具潜力的可再生能源之一，其核心组件太阳能跟踪器却面临着一个鲜为人知的"阿喀琉斯之踵"——风致气动弹性失稳。当风速达到临界值时，这些造价昂贵的跟踪器可能突然发生剧烈扭振，轻则影响发电效率，重则导致结构坍塌。仅澳大利亚Oakey和西班牙安达卢西亚就发生过多次跟踪器阵列的群体性破坏事故，单次损失可达数百万美元。更棘手的是，随着行业降本压力增大，轻量化设计使得现代跟踪器结构刚度进一步降低，抗风稳定性问题愈发凸显。

西班牙马德里理工大学IDR/UPM研究所的Carlos Carbajosa团队发现，现有研究对临界风速的判定存在根本性分歧：有的学者认为当系统有效阻尼降为零时即达临界状态，有的则主张以特定振幅或均方根值(RMS)作为判据。这种标准不统一的状况严重制约了抗风设计规范的制定。为此，研究团队通过理论建模与风洞实验相结合的方式，首次建立了阻尼驱动型自激失稳的完整分析框架。

研究采用了两套平行实验系统：低惯性(LI)风洞采用ACLA16大气边界层风洞，测试段截面2.2m×2.2m；高惯性(HI)试验则在AB6二维风洞进行，测试段宽0.5m、高2m。通过调节扭矩管连接的辅助结构，精确控制系统的扭转刚度、惯性和阻尼特性。关键测试技术包括：激光位移传感器捕捉角位移、皮托管测量动压、机械释放试验获取衰减特性，以及创新的动态阈值判定算法。

【2. 阻尼驱动自激临界风速判定准则】
团队将现有判据分为半经验准则和实验准则两大类。半经验准则基于Cárdenas-Rondón提出的数学模型，通过求解有效阻尼ξ^eff=0的临界条件确定风速；实验准则则通过监测增量攻角Δα、增量力矩ΔM_se或增量力矩系数Δc_m,se的RMS/振幅超阈值来判定。研究发现，当采用固定阈值(如RMS_Δα,lim=1°)时，低风速下的湍流扰动可能导致误判，而提出的动态阈值模型RMS_Δα,lim=βΔα_s(β=min(5,1/(5Sc)))能有效区分真实失稳与背景扰动。

【3. 实验装置与数据处理】
研究设计了具有不同惯性(m^*=J^mech/(ρB⁴))和阻尼(ξ^mech)组合的8组工况。LI系列采用弦长0.62m的MDF平板，HI系列使用0.4m弦长的铝制扭矩管。通过辅助弹簧系统调节刚度，移动配重块改变惯性。实验测量了0°-40°攻角范围内的静态挠度Δα_s和动态响应，采用最小二乘法拟合获取系统固有频率f_n和阻尼比。

【4. 不确定性量化体系】
针对非线性回归的特殊性，团队扩展了ISO标准的不确定度评估方法。当拟合函数Ψ(x?;Q?)含G_L个系数时，残余方差s_R²(Ψ)决定了系数不确定度u_reg(Q_k)。推导显示，对于单系数拟合，不确定度简化为s_R(Ψ)/√Ξ，与ISO标准一致；多系数情况则需考虑交叉项影响，通过泰勒展开获得保守估计。

【5. 结果与讨论】
数据验证了著名的"W型曲线"特征：在±20°攻角附近出现临界风速谷值，而在0°和±40°区域呈现峰值。动态阈值模型使半经验公式与实验结果吻合度提升37%，尤其在Scruton数Sc=m^*ξ^mech>10的高惯性体系中，两者差异小于5%。值得注意的是，当采用固定阈值时，LI-Test1在α_n=15°的临界风速被低估达22%，而动态阈值模型修正了这一偏差。

这项研究的意义不仅在于解决了工程实践中的临界风速判定难题，更建立了气动弹性失稳研究的标准化框架。提出的动态阈值模型可推广至桥梁、高层建筑等风敏感结构的安全评估。未来研究可向三个方向拓展：验证2D与3D结果的等效性、探究多排阵列的尾流干扰效应，以及开发基于计算机视觉的非接触式监测技术。论文成果已应用于Gonvarri Solar Steel等厂商的设计优化，使跟踪器抗风能力提升15%-20%。这项发表于《Renewable Energy》的工作，为可再生能源基础设施的可靠性树立了新的技术标杆。