基于數(shù)值風(fēng)洞的光伏支架陣列風(fēng)載荷分布

喬學(xué) 谷帥 羅曉群

摘要：用計算流體力學(xué)方法分析光伏支架陣列風(fēng)場，研究各傾角和風(fēng)向角情況下支架陣列中風(fēng)載荷的分布，提出支架陣列的區(qū)域劃分和風(fēng)載荷體型系數(shù)取值建議。研究成果對光伏支架陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程建設(shè)具有較好的應(yīng)用價值。該方法有利于節(jié)省材料，降低光伏發(fā)電的成本。

關(guān)鍵詞：光伏支架陣列；數(shù)值風(fēng)洞；風(fēng)載荷；體型系數(shù)

中圖分類號：TU398.1

文獻標(biāo)志碼：B

0 引 言

光伏支架結(jié)構(gòu)較輕，風(fēng)載荷對其影響較大?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797—2012）規(guī)定地面和樓頂支架風(fēng)載荷的體型系數(shù)取1.3。[1]現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）對單坡頂蓋的風(fēng)載荷體型系數(shù)根據(jù)風(fēng)向、傾角和面板位置進行分區(qū)定義。[2]

《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》取值簡潔，便于利用，但是光伏陣列的支架總量大、形式統(tǒng)一，簡化取值的經(jīng)濟性值得商榷：其一，載荷規(guī)范在不同傾角下應(yīng)取不同的體型系數(shù)；其二，由于鄰近支架的遮擋，光伏陣列不同位置的支架單元體型系數(shù)應(yīng)考慮折減。

一些學(xué)者通過風(fēng)洞試驗或者數(shù)值模擬的方式研究光伏支架上風(fēng)載荷的取值。李曉娜[3]通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗，分析傾斜角、離地高度、底部阻塞度和紊流情況對結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷和電池板上面積的折減風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律的影響；張慶祝[4]測量光伏板風(fēng)載荷，通過與經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行對比，驗證理論計算的正確性，修正傳統(tǒng)經(jīng)驗公式，發(fā)現(xiàn)光伏板風(fēng)載荷的內(nèi)在規(guī)律，并據(jù)此改進光伏支架中的部分構(gòu)件；黃張裕等[5-6]建立數(shù)值風(fēng)洞與太陽能跟蹤器光伏面板的簡化模型，模擬風(fēng)載荷體型系數(shù)，并把所得到的結(jié)果與相應(yīng)的規(guī)范和經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行對比，針對光伏支架陣列分析特定風(fēng)向角和特定傾角下的風(fēng)載荷分布，得出固定式支架應(yīng)采用分區(qū)設(shè)計的結(jié)論；韓曉樂[7]通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗研究地面和屋頂光伏支架的風(fēng)載荷分布，給出3行3列光伏板的風(fēng)載荷取值建議。高亮等[8]以風(fēng)洞試驗為主，結(jié)合數(shù)值計算方法，研究光伏支架的傾角、高度、間距和陣列中的位置等對風(fēng)載荷體型系數(shù)的影響規(guī)律，提出考慮各影響因素的風(fēng)載荷計算公式。

本文進行風(fēng)洞數(shù)值模擬，分析不同傾角下光伏陣列中各個位置光伏板上的風(fēng)載荷體型系數(shù)分布，并給出設(shè)計建議。

1 模型設(shè)計

1.1 分析方法

風(fēng)洞數(shù)值模擬技術(shù)的核心是計算流體力學(xué)，求解描述空間中流體流動情況的控制方程可獲得流場的相關(guān)性質(zhì)。本文采用k-ε湍流模型和雷諾平均法分析計算結(jié)構(gòu)表面的平均風(fēng)壓，在ANSYS ICEM CFD中建模和劃分網(wǎng)格，在FLUENT 14.0中進行分析計算。

1.2 模型概述

數(shù)值風(fēng)洞模擬的光伏支架陣列包含10排光伏板，每塊光伏板的尺寸為5 040 mm×3 300 mm，光伏板橫向間距為1 m，縱向間距（中心距）為9 m。

為模擬區(qū)域內(nèi)空氣的流動特性，在靠近計算模型區(qū)域設(shè)置分布密集的小網(wǎng)格，在遠離模型區(qū)域設(shè)置分布稀疏的較大網(wǎng)格。將計算域分為核心區(qū)和外流場2部分，其中核心區(qū)光伏陣列為128 m×128 m，外流場800 m×1 200 m×24 m，計算域總尺寸滿足阻塞率<3%的要求。核心區(qū)內(nèi)采用四面體網(wǎng)格離散單元；為計算結(jié)構(gòu)表面壓力大小，近壁區(qū)域沿光伏板表面方向劃分5層網(wǎng)格，邊界層最小網(wǎng)格尺寸為30 mm，按1.0︰1.2過渡，采用規(guī)則分布的六面體網(wǎng)格離散單元。

光伏板采用面單元模擬，并利用劈分網(wǎng)格技術(shù)分為上、下2個面，分別計算板上、下表面的風(fēng)壓。光伏板表面網(wǎng)格尺寸約為0.3 m。

計算模型和網(wǎng)格劃分見圖1，網(wǎng)格劃分均勻。

1.3 數(shù)值風(fēng)洞邊界條件

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將場地分

為A、B、C、D等4個地面粗糙度類別，采用指數(shù)型表達式確定平均風(fēng)剖面。4類地面粗糙度類別的劃分及其對應(yīng)的梯度風(fēng)高度ZG、地面粗糙度指數(shù)α和截斷高度Zb見表1。

計算模型的來流面采用速度入口邊界條件，根據(jù)上文公式確定來流風(fēng)速，并采用UDF編程實現(xiàn)按規(guī)范規(guī)定的風(fēng)剖面輸入風(fēng)速；出流面采用自由發(fā)展出流。計算域的頂面和兩側(cè)，采用對稱邊界條件模擬自由滑移的壁面條件；計算域的底面和建筑表面，采用固壁邊界條件模擬無滑移的壁面條件。

1.4 參數(shù)設(shè)置

采用雷諾平均法計算結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓，湍流模型采用可實現(xiàn)的k-ε模型，近壁面采用非平衡壁面函數(shù)。計算求解采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，求解壓力耦合方程采用半隱式算法（即SIMPLE算法），松弛因子均采用默認(rèn)設(shè)置，使用入流面對流場進行初始化。計算步數(shù)設(shè)定為1 000步，控制方程迭代殘差余量小于1×10-4，監(jiān)測光伏板表面的平均風(fēng)壓值基本不發(fā)生變化。

光伏板傾角和光伏陣列風(fēng)向角示意見圖2。光伏支架的傾角由季節(jié)和緯度確定：低緯度和夏季所需傾角小，高緯度和冬季所需傾角大。結(jié)合我國的實際情況，計算取10°、20°、30°、40°、50°和60°共6個光伏板傾角。試算表明：180°、150°和120°這3種風(fēng)向角下光伏板承受風(fēng)吸力，分別與0°、30°和60°風(fēng)向角對稱；90°風(fēng)向角時光伏板迎風(fēng)面積為0，幾乎不承受風(fēng)載荷。因此，根據(jù)光伏板的對稱性，計算0°、30°和60°共3種風(fēng)向角下光伏板的風(fēng)壓力分布。

2 數(shù)值風(fēng)洞模擬計算結(jié)果討論

以10°和60°這2種傾角情況的3個風(fēng)向角數(shù)值風(fēng)洞結(jié)果為例，討論光伏板風(fēng)載荷分布（見圖3）情況。

由圖3可以看出，風(fēng)向角30°和60°的工況主要影響光伏陣列迎風(fēng)面兩側(cè)各3列光伏板。傾角較小（如10°）時，最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在30°風(fēng)向角；傾角較大（如60°）時，最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在60°風(fēng)向角。最外側(cè)1列光伏板的風(fēng)載荷最大，向內(nèi)逐列減??；向內(nèi)3列以上的光伏板風(fēng)載荷的控制工況基本由0°風(fēng)向角控制。

除兩側(cè)光伏板外，其他位置光伏板的最大風(fēng)載荷均出現(xiàn)在0°風(fēng)向角時，其分布規(guī)律表現(xiàn)為迎風(fēng)面第1排光伏板的風(fēng)載荷值最大，后排板的風(fēng)載荷明顯減小。

單塊光伏板的風(fēng)載荷分布均表現(xiàn)為迎風(fēng)面邊緣風(fēng)載荷最大，沿風(fēng)向方向逐漸減小。當(dāng)傾角較大（如60°）時，第1排光伏板風(fēng)載荷較大，后排板的風(fēng)載荷接近0。

3 光伏支架陣列區(qū)域劃分

通過數(shù)值風(fēng)洞模擬，統(tǒng)計光伏支架陣列在6種傾角與3種風(fēng)向角組合（共18種）下的風(fēng)載荷分布，可以將整個陣列區(qū)域的光伏板風(fēng)壓分布分成3個區(qū)域，見圖4。

不同風(fēng)向角的風(fēng)載荷規(guī)律如下：

（1）0°風(fēng)向角（圖3a））時，區(qū)域1風(fēng)載荷最大，區(qū)域3次之，區(qū)域2風(fēng)載荷最小。

（2）30°風(fēng)向角（圖3b））時，區(qū)域1和區(qū)域3風(fēng)載荷較大，區(qū)域2風(fēng)載荷最小。

（3）60°風(fēng)向角（圖3c））時，區(qū)域3風(fēng)載荷最大，區(qū)域1次之，區(qū)域2風(fēng)載荷最小。

（4）30°和60°風(fēng)向角時，區(qū)域3的3列光伏板中，最外側(cè)風(fēng)載荷最大，向內(nèi)逐漸減小。

（5）區(qū)域1和區(qū)域2的最不利風(fēng)向角為0°。區(qū)域3的最不利風(fēng)向角與傾角有關(guān)，傾角40°及以下時區(qū)域3最不利風(fēng)向角為30°，傾角50°及以上時區(qū)域3最不利風(fēng)向角為60°。

綜合各種風(fēng)向角下的風(fēng)載荷分布，考慮到光伏支架陣列的對稱性，建議初步劃分區(qū)域見圖5。將光伏支架陣列劃分為3個區(qū)域：區(qū)域1為迎風(fēng)向前、后兩端各1排；區(qū)域3為陣列左、右兩端各3列；其余為區(qū)域2。

4 各區(qū)域的風(fēng)載荷體型系數(shù)取值

4.1 區(qū)域1風(fēng)載荷體型系數(shù)取值

在0°風(fēng)向角下，區(qū)域1光伏板的風(fēng)載荷分布見圖6：橫坐標(biāo)是該點在光伏板上寬度方向的位置，下端迎風(fēng)邊緣為0 m，上端背風(fēng)邊緣為3.3 m；縱坐標(biāo)是該點的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

按照載荷規(guī)范中的形式，光伏板上、下半板的風(fēng)載荷體型系數(shù)取不同值，由所在板塊上各點的體型系數(shù)按該點距離板中線的距離加權(quán)平均確定，計算公式為

4.2 區(qū)域2風(fēng)載荷體型系數(shù)取值

區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與傾角相關(guān)。傾角10°和20°時區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與區(qū)域1相近，漸變趨勢與圖6a）和圖6b）相同。傾角10°時光伏支架陣列中板面風(fēng)載荷與位置的關(guān)系見圖7：橫坐標(biāo)是該點在陣列中的位置，取第1排光伏板的迎風(fēng)邊緣的橫坐標(biāo)為0；縱坐標(biāo)是該點的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

在傾角30°及以上時，區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與區(qū)域1不同，上、下半板可取相同的體型系數(shù)，傾角30°時光伏支架陣列中板面風(fēng)載荷與位置的關(guān)系見圖8。

因在傾角10°和20°時，區(qū)域2光伏板的風(fēng)載荷分布與區(qū)域1相近，故以區(qū)域1為基準(zhǔn)，折減體型系數(shù)根據(jù)各傾角下的風(fēng)載荷逐排分布（圖9）的數(shù)據(jù)計算比值得出，見表3。

在傾角30°及以上情況下，區(qū)域2光伏板的體型系數(shù)根據(jù)圖9取值，同時考慮不小于傾角10°和20°時的最小值0.2，得到的體型系數(shù)見表4。

4.3 區(qū)域3體型系數(shù)取值

在傾角10°～40°時，區(qū)域3光伏板的最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在30°風(fēng)向角時；在傾角50°和60°時，區(qū)域3光伏板的最大風(fēng)載荷出現(xiàn)在60°風(fēng)向角時。區(qū)域3最外側(cè)1列板風(fēng)載荷最大，另外2列板風(fēng)載荷較小，其體型系數(shù)取值應(yīng)分別計算，見表5。

4.4 體型因數(shù)簡化取值建議

按照光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，將風(fēng)載荷取值歸并簡化，從數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果討論體型系數(shù)優(yōu)化取值的區(qū)域劃分。

區(qū)域3端部1列光伏板的風(fēng)載荷是光伏板陣列所有板中風(fēng)載荷最大的，其余2列板的風(fēng)載荷取值介于區(qū)域1與區(qū)域2之間，建議按區(qū)域1取值。

區(qū)域2的光伏板風(fēng)載荷在傾角不同時分布規(guī)律不同。在傾角10°和20°時，2～5排風(fēng)載荷呈漸變趨勢，因此建議將2～3排并入?yún)^(qū)域1，將4～5排作為區(qū)域2，并取第4排的風(fēng)載荷為區(qū)域2的風(fēng)載荷；在傾角30°及以上時，2～4排風(fēng)載荷小于5排以后的風(fēng)載荷，可作為區(qū)域2。

最終的風(fēng)載荷體積系數(shù)區(qū)域劃分見圖10，各區(qū)域風(fēng)載荷體型系數(shù)簡化取值見表6。由于風(fēng)載荷按體積系數(shù)取值進行相應(yīng)修正，為保證安全，風(fēng)載荷體型系數(shù)最小值取0.4。

5 結(jié)束語

運用ANSYS ICEM CFD建立光伏支架陣列的模型并劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入FLUENT 14.0中對不同傾角和風(fēng)向角下的光伏支架陣列進行計算流體力學(xué)數(shù)值風(fēng)洞模擬分析。對比分析風(fēng)載荷體型系數(shù)分布以及風(fēng)載荷體型系數(shù)隨位置變化規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

（1）光伏支架陣列中不同位置的支架單元承受的風(fēng)載荷差別較大，因此建議將光伏陣列支架劃分為3個區(qū)域，不同區(qū)域取不同的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

（2）《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》僅給出單個光伏支架單元風(fēng)載荷體型系數(shù)的取值，但對于大型的光伏支架陣列來說，其中間區(qū)域的風(fēng)載荷體型系數(shù)取值偏大，因此提出不同傾角下的區(qū)域劃分方法和不同區(qū)域的風(fēng)載荷體型系數(shù)。

（3）結(jié)合工程實際，對各區(qū)域的體型系數(shù)提出簡化取值建議。

本文討論的體型系數(shù)折減適用于光伏陣列場地較平整的情況，如灘涂、戈壁等。對于場地起伏較大的山地、丘陵等，陣列中央的支架單元不受遮擋或遮擋較少，建議不折減。

致謝：本項目工作獲得國華能源投資有限公司科技創(chuàng)新項目“光伏方陣支架結(jié)構(gòu)設(shè)計研究及應(yīng)用”支持，特此致謝。

參考文獻：

[1] 光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范： GB 50797—2012[S].

[2] 建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范： GB 50009—2012[S].

[3] 李曉娜. 太陽能光伏支架風(fēng)載荷體型系數(shù)研究[D]. 石家莊： 石家莊鐵道大學(xué)， 2015.

[4] 張慶祝. 太陽能光伏組件風(fēng)載負(fù)荷計算及支架結(jié)構(gòu)的研究[D]. 呼和浩特： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)， 2010.

[5] 黃張裕， 左春陽. 太陽能跟蹤器光伏面板風(fēng)荷載體型系數(shù)的數(shù)值模擬研究[J]. 特種結(jié)構(gòu)， 2014， 31（4）：101-107.

[6] 黃張裕， 閻虹旭. 太陽能光伏板風(fēng)荷載體型系數(shù)群體遮擋效應(yīng)數(shù)值模擬研究[J]. 特種結(jié)構(gòu)， 2015， 32（3）：18-22.

[7] 韓曉樂. 太陽能光伏陣列風(fēng)載荷取值研究[D]. 石家莊： 石家莊鐵道大學(xué)， 2016.

[8] 高亮， 竇珍珍， 白樺， 等. 光伏組件風(fēng)載荷影響因素分析[J]. 太陽能學(xué)報， 2016， 37（8）： 1931-1937.

（編輯 武曉英）