太陽能光伏板陣列風壓特性數(shù)值模擬研究

房彥山，張國飛，唐雯靜

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

太陽能光伏電站一般地處荒漠戈壁，地形空曠之地，風荷載在太陽能光伏組件單元的支架及基礎設計中將起到控制性作用，而在這些空曠之地風荷載的取值和構架風荷載體型系數(shù)的選取直接影響到支架及基礎的安全性和經(jīng)濟性。

國內地面光伏支架設計過程中，關于風荷載結構體型系數(shù)的取值，我國《建筑結構荷載規(guī)范》和《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》均有規(guī)定：《建筑結構荷載規(guī)范》，第29項的規(guī)定，當傾角小于10°時，結構體型系數(shù)按±1.3和±0.5，整體體型系數(shù)為±0.9計算；當傾角等于30°時，結構體型系數(shù)按±1.4和±0.6，整體體型系數(shù)為±1.0計算，中間值采用插值法。《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》中第6.8.7條規(guī)定，地面和樓頂支架風荷載的體型系數(shù)取1.3。日本的《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計與施工》叢書中，體型系數(shù)按(正壓)0.65+0.009θ、(負壓)0.71+0.016θ計算，其中θ(15°≤θ≤45°)為傾斜角度。光伏電站是由多排多列光伏組件支架單元組成的方陣，因此光伏組件支架單元所處的位置不同會導致風荷載系數(shù)的不同。規(guī)范上的風荷載結構體型系數(shù)可以作為單個光伏支架結構承受風荷載作用時參考。而對于整個光伏電站支架結構這一類的結構群，并未對風荷載系數(shù)區(qū)間進行劃分。本文對太陽能光伏板陣列進行了區(qū)域劃分，并提出了不同區(qū)域板的體型系數(shù)的折減系數(shù)，為實際工程設計計算提供參考。

1 計算模型

1.1 計算模型

模型中單串電池組件長20 m，寬3.3 m，電池組件的傾斜角度取35°，前后排支架間凈距取13 m(根據(jù)新疆高緯度地區(qū)實際工程，且前后間距越小遮擋效果越明顯，為包羅大多數(shù)情況，故取13 m)，面板最低邊緣離地面0.3 m，過道寬1.5 m，兩列面板間距150 mm(建模時簡化)，方陣布置形式見圖1，采用10排、10列的方陣。

1.2 計算域

對光伏板方陣計算域設置為1000 m×600 m×55 m，其阻塞率為0.6%，光伏板方陣置于1/3長度處，滿足要求。將此計算域劃分為3個部分，電池板方陣為最內部分為子域1；方陣外側采用內域為直徑360 m的圓柱為子域2；剩余外部為子域3，以便網(wǎng)格掃掠劃分。在劃分網(wǎng)格時，子域2采用適用性較強的四面體網(wǎng)格，子域1、子域3采用收斂性較高的結構化六面體不均勻網(wǎng)格。整個流域的網(wǎng)格數(shù)量為1400萬左右。

圖1 光伏板陣列和風向角示意圖

1.3 邊界條件

Fluent軟件中，來流邊界采用速度入口邊界條件，風速為37 m/s。計算域側面和頂面采用對稱邊界條件。出流面采用壓力出口邊界條件。地面粗糙度為B類，采用無滑移光滑壁面。面板采用無滑移的粗糙壁面。

計算模型采用RNG k-e模型。流場動量、湍流動能、湍流耗散率的離散格式均采用二級迎風格式，壓力－速度耦合放的解法采用SIMPLEC算法。

1.4 計算工況

數(shù)值模擬電池板方陣時，固定傾角為35°，進行風向角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、105°、120°、135°、150°、165°、180°十二種工況下的數(shù)值模擬研究。其中0°～90°為正壓，90°～180°為負壓。

2 數(shù)值模擬結果及分析

2.1 風荷載結構體型系數(shù)

通過CFD模擬測量模型上的各點的壓力系數(shù)，結構表面的風壓大小及分布。

式中：Pfi為結構表面測量點靜壓；P∞為參考點靜壓；v0為來流風速；ρ為空氣密度。

對壓力系數(shù)進行加權平均計算，得到結構體型系數(shù)：

式中：Ai為壓力系數(shù)測點所在表面的表面積；Ai(Z)為i表面表面積；μsi(Z)為某表面i的風載結構體型系數(shù)。

2.2 各風向角下光伏板的體型系數(shù)

本文對風向角在0°～180°之間，以15°為增量的光伏板做了數(shù)值風洞試驗。由于篇幅有限，圖2～圖8只給出風向角為0°、30°、60°、75°、120°、150°、180°七種典型工況下光伏板陣列的體型系數(shù)圖。

由圖2可知，當風向角為0°時，迎風向第1行的風荷載體型系數(shù)最大(0.93)，第2行光伏板受第1行光伏板尾流較大，出現(xiàn)回流現(xiàn)象，體型系數(shù)較小。由于第1行光伏板的阻擋和保護，第2行到第10行的光伏板表面風荷載體型系數(shù)遠小于第1行，第2行小于其他行且局部板出現(xiàn)負值。方陣邊緣光伏板風荷載體型系數(shù)較中間板大。方陣中間區(qū)域電池板體型系數(shù)數(shù)值很小為0.13，且基本相等。

由圖3可知，當風向角為30°時，第1行和第1列板風荷載體型系數(shù)大于其他板，在走道處發(fā)生了流動分離，導致第1排風荷載體型系數(shù)并不相等，左側大于右側。第1行第1列體型系數(shù)為1.1，較0°時大；第1行體型系數(shù)平均值較0°時的??；第1列體形系數(shù)平均值較0°時大，說明第1列板的阻擋作用增強。沿風方向，體型系數(shù)逐步減小趨勢。

由圖4可知，當風向角為60°時，體型系數(shù)的變化趨勢同30°，第1列體型系數(shù)平均值為0.86，明顯大于第1行0.52。其余板體型系數(shù)平均值為0.1。沿風方向，體型系數(shù)逐步減小趨勢。

由圖5可知，當風向角為75°時，由于風向與板的角度變小，體型系數(shù)較60°小很多。其中第1列面板(0.24)較其他板(0.04)大。

由圖6可知，當風向角為120°時，光伏板背部為迎風面，處于風向上游位置的光伏板(第1列和第10行)受風力作用最強烈，體型系數(shù)最大。方陣邊緣位置處迎風向第1列光伏板體型系數(shù)平均值(0.82)較第10行(0.45)大。第2列(0.3)和第4列(0.25)較后面列稍大。后面列體型系數(shù)平均值為(0.08)，非常小。

由圖7可知，當風向角為150°時，第10行體型系數(shù)平均值(1.3)比120°時(0.45)大很多。且在角部(第10行×第1列)出現(xiàn)極值1.72。在實際工程中因忽略對角部光伏板的加強，結構容易出現(xiàn)被風吹壞的情況。

由圖8可知，當風向角為180°時，體型系數(shù)柱狀圖呈現(xiàn)軸對稱情況。第10行體型系數(shù)平均值(1.34)較150°時稍大，但在角部(第10行×第1列)值為1.3比150°時??；180°時第10行體型系數(shù)平均值(1.34)較0°時第1行(0.93)大。外圍板較中間板大。

圖2 0°風荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖3 30°風荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖4 60°風荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖5 75°風荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖6 120°風荷載體形系數(shù)三維柱狀

圖7 150°風荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

圖8 180°風荷載體形系數(shù)三維柱狀圖

2.3 光伏板陣列體型系數(shù)的折減系數(shù)

由上述分析可知光伏板陣列中中間板的體型系數(shù)遠遠小于迎風面板，因此在設計時需要對中間部板的體型系數(shù)進行折減。下表對風向角在0°～180°之間，以15°為增量的十二種工況下，對每塊板的體型系數(shù)取最大值，見表1。

風向角為0°～90°時，迎風面外圍板體型系數(shù)平均值為0.92，與《建筑結構荷載規(guī)范》(0.9)和日本叢書(0.96)較一致，比《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》(1.3)小。風向角為90°～180°時，迎風面外圍板體型系數(shù)平均值為1.26，與《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》(1.3)和日本叢書(1.27)較一致，比《建筑結構荷載規(guī)范》(1.0)大。

根據(jù)數(shù)據(jù)分布的規(guī)律以及方便使用的原則，將方陣分為2個區(qū)域，對內部區(qū)域取折減。由外至內分別為：以方陣邊緣一排和一列為A區(qū)、余下中間區(qū)域B區(qū)。

表1 風向角0°～180°各板體型系數(shù)最大值

以《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》規(guī)定的體型系數(shù)1.3為基值，得到不同位置處光伏板體型的折減系數(shù)。見表2：

表2 折減系數(shù)

3 結語

本文通過CFD數(shù)值風洞試驗對太陽能電池板陣列的風壓分布和風荷載體型系數(shù)進行了研究，描述了不同風向角下面板體型系數(shù)的變化規(guī)律，比較了不同工況下光伏板體型系數(shù)的大小關系，得出以下結論：

(1)風向角為0°～90°時，迎風面板光伏板體型系數(shù)與《建筑結構荷載規(guī)范》和文獻[3]一致，較《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》小。風向角為90°～180°時，迎風面外圍板體型系數(shù)平均值為1.26，與《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》(1.3)和文獻[3](1.27)的取值較一致，比《建筑結構荷載規(guī)范》(1.0)的取值大。

(2)風向角為90°～180°時，第10行的風荷載體型系數(shù)平均值(1.48)比規(guī)范值(1.0文獻[1]和1.3文獻[2])大。當風向角為150°時，在角部(第10行×第1列)出現(xiàn)極值1.72，比規(guī)范值文獻[1][2][3]大很多。因此在設計過程中對陣列的負壓迎風面邊緣光伏板特別是角部光伏板的結構進行加強。

(3)迎風位置的外圍光伏板受風力作用最強烈，體型系數(shù)比中間板大。以《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》規(guī)定的體型系數(shù)1.3為基值，對中間板進行折減，本文建議折減系數(shù)取0.48，可為工程設計提供參考。本文為數(shù)值模擬結果，還有待風洞試驗的進一步驗證。

參考文獻:

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中核集團又一項三代核電關鍵技術國際領先

據(jù)北極星電力網(wǎng)訊：4月12日，由中核集團中國核動力研究設計院自主研制的第三代棒控棒位系統(tǒng)，通過了中國核能行業(yè)協(xié)會組織的國內知名院士專家鑒定評審。鑒定認為：

該系統(tǒng)具備“全數(shù)字化、智能化、高可靠、小型化”等特點，技術達到國際領先水平，對全面提升我國核電自主化水平并支撐核電“走出去”戰(zhàn)略具有重要意義。

第三代棒控棒位系統(tǒng)是核電廠“神經(jīng)系統(tǒng)”的重要組成部分。該系統(tǒng)通過提升、保持和插入反應堆控制棒，實現(xiàn)反應堆的啟堆、停堆、快速功率調節(jié)等重要功能，對整個核電機組的安全、可靠、經(jīng)濟運行起著至關重要的作用。該系統(tǒng)可直接應用于華龍一號、二代加核電工程及技術改造，還可推廣應用于AP1000、EPR等其他核電站，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

該系統(tǒng)是核動力院自主研發(fā)的三代核電棒控棒位系統(tǒng)具有完全自主知識產權，科研工作形成10項發(fā)明專利，11項軟件著作權，2項企業(yè)標準。該項目科研攻關中，項目組完成了近十項重大技術突破，設備體積為上一代產品一半大小，精度提高到原來2倍。此外，樣機還通過了一千萬步連續(xù)運行考核，取得了零故障運行業(yè)績，充分驗證設備可靠性。

本次評審由中國工程院葉奇蓁院士和孫玉發(fā)院士擔任專家組組長，來自核能行業(yè)協(xié)會、國家核安全局、環(huán)保部核與輻射安全中心、哈工大、西安交大以及中核集團、中廣核集團等單位數(shù)十位專家參加了評審。