基于風洞試驗和數(shù)值模擬的群體光伏支架體型系數(shù)研究

王東 王璐璐 方偉定

(1. 中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司 杭州310000； 2. 杭州市勘測設計研究院 310000)

引言

光伏支架和基礎的工程量是影響光伏項目建設成本的重要因素之一， 有時甚至關系到項目的成立與否， 而風荷載絕大多數(shù)情況下作為光伏支架結(jié)構(gòu)設計的控制荷載， 其取值的大小將直接影響支架用鋼量、 基礎混凝土方量等土建工程量的多少。

關于風荷載的計算， 影響的因素較多， 考慮到光伏支架的布置往往為群體性的大范圍布置，而風載體型系數(shù)與結(jié)構(gòu)自身的形狀、 周邊構(gòu)筑物的干擾等因素密切相關， 故本文將對群體光伏支架的風載體型系數(shù)分布進行相關研究， 這將有助于光伏支架結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化， 一定程度上降低工程造價。

事實上， 目前已有一些有關地面光伏支架體型系數(shù)的研究成果， 賀廣零[1]通過風洞試驗方法獲取了單個光伏支架在10°、 30°傾角下的表面風壓系數(shù)分布及體型系數(shù)； 黃張裕[2]、 馬文勇[3]通過數(shù)值模擬方法得到了單個組件不同傾角下的體型系數(shù)； 牛斌[4]對單列5 個光伏支架進行了風洞試驗研究， 得到了前后光伏組件互相干擾下的體型系數(shù)分布規(guī)律； 此外， 有學者對群體支架體型系數(shù)進行了初步的數(shù)值模擬分析， 得到了群體中首行支架體型系數(shù)較大的結(jié)果。 已有研究表明，群體光伏支架體型系數(shù)與單個光伏支架的體型系數(shù)在數(shù)值上存在較大區(qū)別。

本文以9 ×5 地面光伏支架矩陣為研究對象，采用風洞試驗方法得到不同風向角下的群體體型系數(shù)分布， 并分析總結(jié)規(guī)律； 采用數(shù)值模擬方法作為輔助方法， 得到該光伏矩陣相應體型系數(shù)分布， 與風洞試驗結(jié)果互相對照， 驗證結(jié)果的準確性， 提高結(jié)果的可信度。

1 風洞試驗

1.1 剛性模型設計

風洞試驗原型為一9 行5 列地面光伏支架陣列， 如圖1 所示， 總尺寸約為55m 寬， 94m 長。單個光伏支架長18.4m， 水平投影寬3.78m， 離地最低高度0.5m， 光伏支架傾角20°。 光伏支架之間的水平和豎向間距分別為0.5m 和2.6m。

圖1 9 ×5 光伏支架矩陣示意Fig.1 9 ×5 photovoltaic bracket matrix diagram

試驗以得到光伏組件實際的分布荷載為目的， 采用剛性模型進行風洞測壓試驗。 模型縮尺比為1∶50。

為了得到各支架的風壓分布， 需在組件平面內(nèi)外兩側(cè)布置較多的測點， 由于測試對象較多，為確保試驗結(jié)果既能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確性， 也能反映群體變化的規(guī)律性， 本試驗奇數(shù)行支架密布測點， 偶數(shù)行支架測點相對稀疏， 如圖2 所示。 考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性， 選擇陣列的左三列進行測點排布。 布置測點總計480 個。

圖2 支架上表面測點布置Fig.2 Arrangement of measuring points on upper surface of bracket

1.2 流場模擬及試驗工況

試驗在浙江大學ZD -1 邊界層風洞中進行，ZD-1 邊界層風洞為單回流閉口立式鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)型式。 試驗段尺寸4m× 3m × 18m， 風洞可調(diào)風速范圍為3m/s ～55m/s。

本次試驗采用均勻湍流場， 利用尖劈和柵隔進行均勻湍流場的模擬， 其模擬照片如圖3 所示。 試驗截面的風速為7.65m/s， 試驗截面的湍流度為12%。 試驗風向角為0° ～360°， 每隔15°為一個風向角工況， 共24 個工況， 風向角定義如圖4 所示。 模型在風洞中最大阻塞比不超過6%， 滿足風洞試驗要求。

圖3 試驗模型及流場模擬Fig.3 Experimental model and flow field simulation

圖4 光伏陣列風向角示意Fig.4 Wind direction angle of photovoltaic array

1.3 試驗結(jié)果與分析

通過風洞試驗， 獲取了各風向角下， 9 ×5 支架矩陣中各支架的體型系數(shù)。 經(jīng)數(shù)據(jù)處理并整理后， 得到全風向角下， 各支架體型系數(shù)的最大正壓和最大負壓值， 具體數(shù)值如表1、 表2 所示。需要指出的是， 為便于對比和應用， 表中給出的每一個數(shù)值均為支架體型系數(shù)均值， 即與實際工程中支架整體計算的體型系數(shù)概念相當。

表1 全風向角各組件體型系數(shù)平均值(正最大值)Tab.1 Average shape coefficients of all wind direction angles (The biggest positive value)

表2 全風向角各組件體型系數(shù)平均值(負最大值)Tab.2 Average shape coefficients of all wind direction angles (The biggest negative value)

為便于觀察各行各列支架體型系數(shù)的變化趨勢， 作圖5， 考慮到第1 列、 第2 列分別與第5列、 第4 列對稱， 圖中不再表示。

從圖5a 可以直觀地看到: 9 ×5 支架矩陣在全風向角下， 正壓體型系數(shù)分布在首行位置最大， 為風壓力； 第2 行支架體型系數(shù)因首行支架的干擾有較大的降低， 其后各支架體型系數(shù)變化相對不大， 且在尾行略有提升； 矩陣兩側(cè)列體型系數(shù)相對中間列支架較大。 圖5b 可以得到結(jié)論:9 ×5 支架矩陣在全風向角下， 負壓體型系數(shù)分布在尾行位置最大， 為風吸力； 第8 行支架體型系數(shù)因尾行支架的干擾有較大的降低， 其后各支架體型系數(shù)逐行降低， 但在第2 行及第1 行略有增大； 矩陣兩側(cè)列體型系數(shù)相對中間列支架較大。

圖5 全風向角下各支架平均體型系數(shù)Fig.5 Average shape coefficients of all wind direction angles

造成首、 尾行和邊緣列相對于中間行(列)支架體型系數(shù)偏大的主要原因在于， 該位置的支架首先承受風載作用， 風載在經(jīng)過這些支架作用后會發(fā)生繞流， 使作用于后面的支架的風壓有所減弱， 即邊緣支架對風載產(chǎn)生了干擾效應， 從試驗數(shù)值上看， 該減弱效果在35%以上。

1.4 區(qū)域歸類

從試驗結(jié)果可以看出， 不同位置的光伏支架， 其體型系數(shù)是存在差異的， 且特定位置， 如首、 尾行， 邊緣列及中間區(qū)域之間存在較為明顯的差異， 為便于實際工程參考應用， 對本次研究對象的體型系數(shù)分布作一定歸類， 如圖6 所示。圖中給出了不同位置支架的體型系數(shù)大小。 僅從支架結(jié)構(gòu)設計角度而言， 若對不同區(qū)域支架區(qū)別化設計， 可在一定程度上降低光伏工程造價。

圖6 矩陣各區(qū)域中支架體型系數(shù)歸類Fig.6 The classified shape coefficients in each areaof photovoltaic matrix

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

為驗證風洞試驗結(jié)果的準確性和變化規(guī)律的可信度， 對該9×5 光伏支架矩陣進行數(shù)值模擬計算。 使用ANSYS 軟件ICEM 模塊進行模型建立，并進行有效的網(wǎng)格劃分， 如圖7 和圖8 所示。 計算在Fluent 模塊中進行， 流場選用均勻流。

圖7 9 ×5 光伏支架矩陣ICEM 模型Fig.7 ICEM model of 9 ×5 photovoltaic support matrix

圖8 9 ×5 矩陣網(wǎng)格劃分后模型Fig.8 Mesh model of 9 ×5 photovoltaic support matrix

2.2 計算結(jié)果、 分析及對照

通過數(shù)值模擬得到該光伏支架矩陣在0°風向角和180°風向角下各組件上、 下表面的體型系數(shù)分布， 分別如圖9、 圖10 所示。 單個支架體型系數(shù)可由上、 下表面體型系數(shù)作差得到。

從圖9 可以看出， 在0°風向角下， 上表面正壓值第一排較大， 隨后逐行減??； 下表面負壓在第一排較大， 其后逐排遞減。 支架整體體型系數(shù)呈正壓， 變化趨勢與風洞試驗結(jié)果一致。

圖9 0°風向角各組件上、 下表面體型系數(shù)分布Fig.9 Distribution of shape coefficient of upper and lower surface of components at 0° wind direction angle

圖10 180°風向角各組件上、 下表面體型系數(shù)分布Fig.10 Distribution of shape coefficient of upper and lower surface of components at 180° wind direction angle

從圖10 可以看出， 在180°風向角下， 上表面負壓值在末尾行較大， 隨后逐行減小； 下表面正壓在末尾行較大， 其后逐排遞減。 支架整體體型系數(shù)呈負壓， 變化趨勢與風洞試驗結(jié)果一致。

從數(shù)值上看， 以0°風向角下首行支架為對照對象， 單個支架體型系數(shù)(正壓)呈上邊緣小、 下邊緣大的梯形分布， 上、 下邊緣體型系數(shù)與風洞試驗結(jié)果的對比如表3 所示。

表3 首行支架上下邊緣體型系數(shù)對照Tab.3 Comparison of shape coefficient of upper and lower edge

需要指出的是數(shù)值模擬計算中得到的首行各支架體型系數(shù)相對變化較小， 風洞試驗中得到的首行各支架之間體型系數(shù)存在一定差異， 這主要是由于實際測試中存在的干擾效應比數(shù)值模擬計算的要多，例如支架立柱、 測風管線等的干擾。

從表3 的對比數(shù)據(jù)可以看出， 數(shù)值模擬與風洞試驗得到的結(jié)果基本相當， 上邊緣計算值與試驗值均值偏差13.6%； 下邊緣計算值在試驗值范圍內(nèi)， 與試驗值均值偏差4.3%。 對其他位置支架體型系數(shù)對照也可得到相同的結(jié)論， 故風洞試驗結(jié)果有效、 可信。

本文研究對象的光伏支架傾角為20°， 根據(jù)《光伏支架結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》(GB/T 10115 -2018)[5]對該傾角支架體型系數(shù)的規(guī)定， 正壓為0.85， 與表1 第1 行邊緣支架較為接近， 但中間支架的體型系數(shù)比規(guī)范值大27%； 負壓為-1.0， 與表2 第9 行支架體型系數(shù)基本一致， 偏差小于5%。 此外， 規(guī)范中提及的對多陣列支架體型系數(shù)的折減方式， 可基本包絡表1、 表2 中的相關數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

通過9 ×5 光伏支架矩陣的風洞試驗和數(shù)值模擬， 可以得到以下結(jié)論:

1. 群體光伏支架受風荷載作用， 其體型系數(shù)分布具有一定的規(guī)律性； 全風向角下較大的風壓力出現(xiàn)在第一行， 平均體型系數(shù)約0.92； 較大的風吸力出現(xiàn)在最后一行， 平均體型系數(shù)約-1.02； 矩陣兩側(cè)列其次， 中間區(qū)域最小。

2. 單個支架局部體型系數(shù)呈梯形分布， 正壓時上邊緣小， 下邊緣大； 負壓時上邊緣大， 下邊緣小。

3. 現(xiàn)行光伏支架設計規(guī)范對不同傾角支架體型系數(shù)進行了規(guī)定， 通過對比規(guī)范值與試驗值， 總體上看， 兩者基本一致。

4. 在實際工程中， 若對不同區(qū)域支架區(qū)別化設計， 可在一定程度上降低光伏工程造價。

需要注意的是， 就本次試驗20°傾角支架而言， 矩陣首行各支架的體型系數(shù)為0.83 至1.08，且邊緣較小， 中間較大； 規(guī)范值為0.85， 邊緣支架與規(guī)范值一致， 中間支架相對規(guī)范值大27%；數(shù)值模擬0°風向角下結(jié)果為0.98， 較規(guī)范值大15%。 限于本次試驗的光伏支架矩陣數(shù)量的限制，首行支架體型系數(shù)變化規(guī)律(中間大， 兩端小)僅能作粗略判斷， 尚不可排除小樣本造成的數(shù)據(jù)偏差，故支架體型系數(shù)在首行是否需根據(jù)位置而調(diào)整， 尚需進一步研究， 實際設計時應引起注意。