太陽能光伏板風(fēng)載的載荷分析

張慶祝,劉志璋,齊曉慧,賈立莊

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,呼和浩特010051)

荒漠地區(qū)和沙漠地區(qū)的太陽能資源相對比較豐富非常適合建設(shè)太陽能光伏電站,但是荒漠的風(fēng)沙也比較大,當(dāng)風(fēng)速很大時(shí)無基礎(chǔ)的光伏板支架有可能傾覆,因此光伏電池板的力學(xué)計(jì)算非常重要。本文將結(jié)合一個(gè)光伏電池板介紹它的風(fēng)載性能測定方法,并對測定結(jié)果進(jìn)行分析。

1 風(fēng)載性能的測定

1.1 測試設(shè)備

測定對象為京瓷KC130GH-2p太陽能電池板,尺寸為:1 425 mm×625 mm×36 mm。光伏板支架固定在地面的地角螺栓上,支架中間有兩個(gè)法蘭連接,以便光伏板旋轉(zhuǎn),可以測得各個(gè)方向的風(fēng)載,如圖1。光伏板上安裝了4個(gè)北京航宇華科測控技術(shù)有限公司HK-812型拉壓力傳感器,傳感器的精度±0.1%F.S;線性范圍為±0.03%F.S;工作溫度為-20～+60℃。

圖1 試驗(yàn)臺架示意圖

本實(shí)驗(yàn)所用的風(fēng)洞是吹氣式B1/K2開路低速臥式風(fēng)洞,風(fēng)洞水平布置。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)全長24.6 m,洞體部分長20.8 m,中心線高1.7 m。風(fēng)扇下游依次為穩(wěn)定段、收縮段、閉口段和擴(kuò)壓段,擴(kuò)壓段出口形成穩(wěn)定射流,構(gòu)成開口實(shí)驗(yàn)段,實(shí)驗(yàn)在開口實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行。閉口實(shí)驗(yàn)段直徑1 m,風(fēng)速60 m/s;開口實(shí)驗(yàn)段直徑2 m,風(fēng)速15 m/s;閉口實(shí)驗(yàn)段湍流度ζ≤5%;驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率55 kW。風(fēng)洞的風(fēng)速由變頻控制,與頻率相對應(yīng);例如變頻機(jī)為10 Hz時(shí),風(fēng)速為3.28 m/s,14 Hz時(shí)風(fēng)速為4.51 m/s。啟動(dòng)時(shí)由較小的頻率開始,即啟動(dòng)風(fēng)速較小,頻率的調(diào)節(jié)從小到大逐步緩慢的進(jìn)行,這是因?yàn)槿绻L(fēng)洞的風(fēng)速變化太大,不易穩(wěn)定。變頻器調(diào)到新的頻率后過幾分鐘再測量風(fēng)速,因?yàn)轭l率改變后電機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大,轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過一段時(shí)間才能穩(wěn)定。

1.2 測試方法

光伏板的安裝傾角根據(jù)內(nèi)蒙古呼和浩特市的經(jīng)緯度取41°。為了測定光伏板的受力大小及光伏板上的受力情況,選擇在光伏板的四個(gè)角處各安裝一個(gè)拉壓力傳感器,9s00410與9s00409是位于垂直方向上的低端,9s00408與9s00407是位于垂直方向上的高端。拉壓傳感器受力時(shí)拉力為正,壓力為負(fù),由于光伏板等本身重力的影響,所以安裝后無風(fēng)測得數(shù)據(jù)均為負(fù)值,需進(jìn)行歸零處理。首先連接傳感器與數(shù)據(jù)采集卡,啟動(dòng)測試軟件,在無風(fēng)時(shí)測出自重下拉壓力傳感器的數(shù)值,然后再程序中減去自重時(shí)的數(shù)值,再啟動(dòng)風(fēng)洞,變頻器的頻率從10 Hz時(shí)開始,每次增加4 Hz,一直測到40 Hz。測試完一個(gè)方向后調(diào)轉(zhuǎn)圖1中的法蘭,旋轉(zhuǎn)180°后重新對拉壓力的自重?cái)?shù)值進(jìn)行調(diào)零處理,再從10 Hz時(shí)的風(fēng)速開始測量一直測到40 Hz,記錄下測試的數(shù)值。

2 測定結(jié)果及其驗(yàn)證

2.1 測定結(jié)果

四個(gè)傳感器在測定風(fēng)速范圍內(nèi)的測得的結(jié)果見圖2。從圖中可以看到,同一水平方向上的兩個(gè)傳感器測得數(shù)值比較接近,但垂直方向兩個(gè)傳感器測得數(shù)值有差異:正向時(shí)低端的410和409所受的力比高端的407和408大;背向時(shí)低端的低端的410和409所受的力比高端的407和408小,而且高端和低端的差值隨著風(fēng)速的增加也會(huì)增加。試驗(yàn)時(shí)無論是正向還是背向,拉壓力傳感器數(shù)值大的一端都是靠近風(fēng)洞的一端;以正向?yàn)槔?傳感器409和410是低端離風(fēng)洞較近,會(huì)先接觸到來流,來流受到遮擋會(huì)沿著光伏板斜面平行于光伏板繼續(xù)流動(dòng),而傳感器407和408就會(huì)稍晚接觸到來流,后續(xù)的來流就不會(huì)直接作用在光伏板上而先作用平行于光伏板的來流,這種來流就抵消一部分作用在407和408上的作用力。

2.2 數(shù)據(jù)的擬合公式

圖2 四個(gè)傳感器分別測得的風(fēng)載圖

由于風(fēng)載等于四個(gè)傳感器之和,而設(shè)計(jì)支架強(qiáng)度所需的風(fēng)載是用最大風(fēng)速時(shí)的風(fēng)載,但是風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌驕y定的最大風(fēng)速僅為13 m/s,這樣只能利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)作一些估算,根據(jù)在風(fēng)洞所測試出的變頻從10 Hz到40 Hz的風(fēng)速和風(fēng)載,采用最小二乘法對曲線進(jìn)行擬合,利用擬合公式估算60 m/s風(fēng)速時(shí)的風(fēng)載。

41°正向時(shí)的擬合式為:

41°背向時(shí)的擬合式為:

式中:x為風(fēng)速,m/s;y為光伏板所受的風(fēng)力,N。

2.3 測定結(jié)果的驗(yàn)證

由《陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工》上的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)載公式:

式中:CW為風(fēng)力系數(shù) ,正壓時(shí)取0.65+0.009θ,負(fù)壓時(shí)取0.71+0.016θ;θ為光伏板的傾角;ρ為空氣密度,kg/m3;Vmax為最大風(fēng)速,m/s;S為光伏板面積,m2;I為用途系數(shù)0.85～1.15;α為高度補(bǔ)正系數(shù);J為環(huán)境系數(shù),與地形有關(guān)。式中:h為陣列的地面以上的高度;h0為基準(zhǔn)地面以上高度10 m;n為表示因高度遞增變化的程度,一般取5。

由于背向的風(fēng)載大于正向的風(fēng)載,所以重點(diǎn)研究背向時(shí)的風(fēng)載。根據(jù)本文的測定條件,正向時(shí)的風(fēng)力系數(shù)C W取1.019,背向時(shí)取1.366;空氣密度ρ取1.225 kg/m3;光伏板面積S為0.89 m2;由于風(fēng)洞出口風(fēng)速就是來流風(fēng)速,所以高度補(bǔ)正系數(shù)α取1;用途系數(shù)I取1;環(huán)境系數(shù)J取1.15。將數(shù)據(jù)代入式(3)后可以得到背向時(shí)的風(fēng)載公式:

式(4)與式(2)的結(jié)果比較見圖3。

圖3 背向擬合值和風(fēng)載工程公式的對比

從圖中可以看出擬合值與經(jīng)驗(yàn)值基本一致。

3 測定結(jié)果的應(yīng)用

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)上部和底部的作用力不相同,這將造成作用在光伏板上的作用點(diǎn)偏離幾何中心,正向時(shí)向下偏移,背向時(shí)而向上偏移。由于背向所受的風(fēng)載就比正向時(shí)大,再加上作用點(diǎn)中心又向上偏移,風(fēng)載對光伏板的作用力矩增加,見圖4。

圖4 風(fēng)載作用中心偏移計(jì)算圖

風(fēng)載中心離光伏板下端的距離:

式中:L為風(fēng)載作用中心離下端的距離,m;F7.8為傳感器407和408所測受力,N;L2為傳感器407和408作用中心離下端的距離,m;F 9.10為傳感器409和410所測受力,N;L1為傳感器409和410作用中心離下端的距離,m;F為傳感器 409,410,408和407所測受力之和,N。

風(fēng)載作用中心距離底邊的垂直高度為:

式中:L⊥為風(fēng)載作用中心在垂直方向上的距離,m;a為光伏板與來流的夾角,(°)。

根據(jù)圖2所列數(shù)據(jù)和式(5),結(jié)果見圖5的結(jié)果。

圖5 41°背向時(shí)作用中心偏移與幾何中心對比

從圖5中可以看到,在垂直高度上幾何中心比風(fēng)載的作用中心低140 mm左右,在計(jì)算傾翻力矩時(shí)將會(huì)帶來很大的影響,而且?guī)缀沃行呐c風(fēng)載的作用點(diǎn)隨風(fēng)速的變大而變動(dòng)較小,可以認(rèn)為基本保持不變,這時(shí),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到60 m/s時(shí),可以準(zhǔn)確推出上下四個(gè)點(diǎn)的風(fēng)載作用力,這樣可以使支架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

(1)正向風(fēng)載小于背向風(fēng)載。

(2)背向風(fēng)載的作用點(diǎn)位于中心偏上,更容易吹翻光伏板。

(3)用最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)值推出風(fēng)載,可以用于指導(dǎo)支架強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。

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