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建築研究簡訊第102期 《業務報導》

太陽能光電板實尺寸利用攝影測量於受風變形分析

 

太陽能發電是當前政府大力推廣的綠能政策,經濟部已完成「太陽光電2年推動計畫」,並在短期內推動屋頂型與地面型的太陽能光電板設置,使得各式的太陽能板正如雨後春筍般在鄉間與都市內設置。然而,台灣位處西太平洋的颱風路徑上,強烈陣風的吹襲將造成太陽能板的破壞,如2015年的蘇迪勒颱風及2016年的莫蘭蒂颱風的侵襲,皆因強陣風造成許多太陽能板被風掀起而破壞,使得產業遭受巨大損失。因此,太陽能板的抗風性能開始受到業界的重視,頻頻尋求實尺寸耐風試驗以確保產品施工的耐風安全。

為了進行太陽能板的抗風試驗,研究於本所風雨試驗場安裝實尺寸的屋頂型太陽能板,並以造風設備在固定風向下執行陣風風速約35 m/s,並持續5分鐘的吹試以觀察太陽能板的受風行為。除了目視觀測外,亦應用攝影測量技術,以兩台同步相機組成的雙相機系統,紀錄太陽能板的受風試驗過程。可解算每一瞬刻太陽能板的座標變化,並與影像融合將動態變形成果可視化,以提供業界建構安全耐風的太陽能光電板。

本研究進行實尺寸太陽能板的抗風試驗整體環境如圖1所示,從圖中可知屋頂型太陽能板的尺寸、風雨試驗場概觀、造風設備與雙相機系統所安裝的位置。屋頂型太陽能板的整體構造大小為6.8公尺×8.4公尺,含縱向5片與橫向5片,總共25片之多晶矽太陽能光電板。每塊太陽能板皆固定在跨距0.9公尺的兩根橫向鋁支撐架上,並以兩支H型鋼固定於帷幕牆風雨試驗場前之地面上。造風設備置於屋頂型太陽能板山脊右方5公尺處,帷幕牆艙體上則安裝紀錄太陽能板受風動態變形的雙相機系統。圖1(a)所示即為鋁支撐架構造圖與整體大小,圖1(b)則為造風試驗示意圖,實際之安裝情況則可參考圖1(c)與(d)。抗風試驗條件為風速由0 m/s啟動至等效風速35 m/s後,以維持時間5分鐘的試驗過程,並在風速歸零後觀察試體損壞情形與記錄過程中屋頂型太陽能板受強風作用的變化。太陽能板抗風變形的參考座標系統,以及量測太陽能板上的參考點,如圖2所示。

為了評估太陽能板經抗風試驗後有無破壞,本研究除了進行試驗前的多影像拍攝求解太陽能板座標外,同時亦在試驗後拍攝一組照片並解算試驗後的太陽能板座標,並且應用相同的座標系統進行差異分析。如圖3所示,其呈現了太陽能面板在試驗前與試驗後的座標經三維內插所得到的高程資訊,經相減後便可得到太陽能板在高程方向的差異。就本次的成果來看,可發現太陽能板在抗風試驗後並無明顯變形,變形量在-1~0.5mm之間。因座標量測精度皆達0.041mm,故如此小的變形量仍然相當可靠。

透過解算每一瞬刻的座標與試驗前的參考座標進行差異分析,並與X軸或Y軸繪製離散分佈圖便可得到太陽能板動態變形的趨勢。如圖4所示,其繪製了三個不同瞬刻的座標差異,可發現太陽能板受風吹襲時,沿著風吹方向(Y軸)呈現如波浪般的變形行為,而X方向則可看出座標變化在正中間有較大的變形量。具體而言,太陽能板在進行抗風試驗時,其變形行為呈現波浪變形,且變形量是遠離H型鋼的固定位置而有變大的趨勢,變形量則是位於±15mm之間。至於過程中的三維變化動畫圖可以參考圖5,其融合了10個瞬刻的三維網格內插成果,由此動畫圖可以呈現更具體的三維座標變化。

整體而言,本研究成果除了可以提供試驗前後的三維座標差異分析,亦可以結合時間序列重建4D變形動畫,並可以與影像進行融合以便從真實影像中觀看座標差異之虛擬動畫。因此,應用攝影測量技術可以針對目前風工程試驗中,如物體動態變形量測或構造損壞評估等提供相關質化與量化的數據,能成為未來加值風工程試驗的成果與品質的核心技術。

1.實尺寸太陽能板抗風試驗之實驗環境(a)鋁支撐架構造圖(b)造風試驗示意圖(c)造風設備(d)相機記錄位置(e)雙相機系統之相對位置

2.太陽能板系統架設與座標解算。(a)人造標點於太陽能板上的分布圖,(b)人造標點自動判釋成果,(c)三維座標系統定義。

3.太陽能板試驗前後座標差異(變形量)

4.動態變形趨勢。(a) Y vs. dZ分佈圖,(b) X vs. dZ分佈圖

5.太陽能板動態變形示意圖