光伏發(fā)電陣列的風載荷計算方法研究

楊禮康 于海濤 林禮恒

（浙江科技學院機械與能源工程學院 浙江杭州 310023）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人類對能源的攫取無度，導(dǎo)致不可再生能源的日益短缺， 科學家們不得不將目光轉(zhuǎn)向可再生能源的利用。 隨著光伏發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟及大范圍推廣，光伏發(fā)電支架的后期維護與破壞越來越被工程師們所重視。 在光伏發(fā)電支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，相對于積雪載荷與固定載荷（組件質(zhì)量和支撐物質(zhì)量等）而言，風載荷對光伏發(fā)電支架的破壞是最為嚴重的。

若計算光伏發(fā)電支架所受到的風載荷， 需提前確認光伏發(fā)電板上太陽能板所受風載荷的分布形式。美國專家Sorensen認為光伏太陽能板的風載荷為三角形分布， 但此分布形式顯然與光伏發(fā)電板上下兩側(cè)均受風載荷的實際情況不符。 目前大多數(shù)關(guān)于此方面學者的研究表明， 光伏發(fā)電系統(tǒng)受風載荷的分布形式主要分為均勻分布、分塊均勻分布及梯形分布［1-5］。張慶祝等［6］做風洞試驗證明光伏發(fā)電板在受到風載荷的作用時，會產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)力，并得出簡單的光伏發(fā)電系統(tǒng)風載荷的計算模型。 賀廣零等［7］研究表明，作用于光伏發(fā)電系統(tǒng)表面的風載荷呈梯形分布更為合理， 然而并沒有提出具體的光伏跟蹤支架風載荷計算模型。

本文將結(jié)合光伏發(fā)電陣列其中的一個單元， 對比其分別在中國與日本規(guī)范下風載荷的計算結(jié)果， 并在此基礎(chǔ)上建立更為完善的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)風載荷的計算模型。

1 光伏支架類型及角度的確定

根據(jù)支架安裝形式將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（Photovoltaic Power Generating System，簡稱PV 系統(tǒng)）進行分類，可以分為固定式光伏支架與跟蹤式光伏支架，如圖1、圖2 所示。相較于固定式光伏支架而言，采用跟蹤式光伏支架的發(fā)電系統(tǒng)，太陽能板能夠跟隨太陽高度的不同，改變太陽能板的俯仰角度。 盡管在同樣的環(huán)境條件下，采用追蹤式光伏支架的發(fā)電系統(tǒng)成本較高， 但發(fā)電量比傳統(tǒng)的固定式光伏支架發(fā)電系統(tǒng)高20%～30%。故而，跟蹤式光伏支架在太陽能發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

圖1 固定式光伏支架

圖2 跟蹤式光伏支架

根據(jù)太陽在全年中的往返運動軌跡， 跟蹤式光伏列陣工作時，在不同的緯度地區(qū)及不同的太陽高度角下，將會有不同的安裝最佳傾斜角，以期達到對太陽能的最大利用。 以吉林省白城市（東經(jīng)121.633°，北緯45.333°）為例，參照表1 可知：白城市光伏陣列的傾斜角應(yīng)為55°［8］。

2 光伏發(fā)電陣列風載荷計算

本文僅以安裝在吉林省白城市某發(fā)電廠光伏發(fā)電陣列為例，計算其風載。該光伏發(fā)電陣列總高度為6 m，組成陣列的發(fā)電單元包含4 塊長2 m、寬1 m 的太陽能板。 由于國內(nèi)外沒有專門計算光伏發(fā)電陣列風載荷的規(guī)范， 本文將基于中國與日本建筑風載標準分析光伏發(fā)電陣列風載荷的計算方法， 再以此為基礎(chǔ)分析完善。

表1 不同緯度下對應(yīng)的傾斜角

2.1 參照中國建筑結(jié)構(gòu)標準的光伏陣列風載計算

此前，我國并沒有專門計算光伏發(fā)電陣列風載荷的計算規(guī)范，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 5009—2012）的經(jīng)驗公式［2］，可參考建筑結(jié)構(gòu)系數(shù)確定風壓。 風荷載標準值為：

式中：βz為高度z 處的風振系數(shù)；uz為風壓高度變化系數(shù)；us為風荷載體型系數(shù)；ω0為基本風壓值。

風荷載體型系數(shù)參考規(guī)范中單坡及雙坡蓋頂（a）體型系數(shù)的參考值， 如圖3 所示，us1、us2取值范圍為0～-2.0，us3、us4取值范圍是0～2.0。 根據(jù)其30°時的取值，利用線性插值法，確定體型系數(shù)us1、us2、us3、us4分別為-1.8、-0.8、1.8、0.8。 基本風壓為：

式中：v0為基本風速；ρ 為空氣密度。

圖3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)風載荷的梯形分布

因為光伏發(fā)電系統(tǒng)總高度為6 m，并且光伏發(fā)電系統(tǒng)所處的當?shù)丨h(huán)境，附近有密集建筑群，但高度并不高。 根據(jù)表2，取風壓高度變化系數(shù)uz為0.65。

表2 風壓高度變化系數(shù)

2.2 參照日本標準的光伏發(fā)電陣列的風載計算

相比于中國的光伏產(chǎn)業(yè)， 日本研究太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的時間更早，且技術(shù)更為先進，并因其國家資源及地理位置的局限性，包括太陽能、風能等可再生資源發(fā)電被定位為“主力電源”。 以20 世紀70 年代面臨的石油危機為契機，日本開始了對太陽能發(fā)電的專項研究。 在太陽能光伏支架風載計算領(lǐng)域，相比較于其他國家而言具有更高的造詣。 對日本光伏支架的風載荷計算分析總結(jié)為：

式中：W 為風壓載荷，N；Cw為風力系數(shù)；q 為設(shè)計用速度壓，N/m2；Aw為受風面積，m2。

以單位面積4 m×2 m 的光伏太陽能板為例。 式（3）中設(shè)計時的速度壓q 為：

式中：q 為設(shè)計時用的速度壓，N/m2；q0為基準速度壓，N/m2；α為高度補償系數(shù)；I 為用途系數(shù)；J 為環(huán)境系數(shù)。

式（4）中用途系數(shù)I 的選取與光伏發(fā)電系統(tǒng)的用途有關(guān)，其對應(yīng)的系數(shù)如表3 所示。

表3 用途系數(shù)

式（4）中環(huán)境系數(shù)J 的選取與太陽能光伏支架安裝場所的海拔與建筑情況有關(guān)，其對應(yīng)的系數(shù)選取如表4 所示。

表4 環(huán)境系數(shù)

2.3 光伏發(fā)電陣列的風載計算模型

當太陽能光伏發(fā)電板受風力作用時， 光伏發(fā)電板的最理想風載荷分布形式為梯形分布［2］（如圖3）。 盡管日本光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計早于我國，但在文獻［1］中，日本光伏發(fā)電板的風載荷計算模型是以風載荷均勻分布模型得到的， 此與實際不符。故而其針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的局限性。而在相同條件下中國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中風載計算結(jié)果較日本規(guī)范所得數(shù)值更大，文獻［7］中取風荷載標準值的中值，作為光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)，具有一定的借鑒性，但是僅僅考慮到接近值是遠遠不夠的。

風力作用在太陽能光伏發(fā)電板上風載荷的分布形式為梯形分布，根據(jù)力學原理，把梯形載荷拆解為非均布三角形載荷與均布矩形載荷的疊加， 得到如圖4 所示的分解載荷即Ⅰ和Ⅱ兩部分，那么以F 表示總風載荷，表示均布風載荷，表示非均布風載荷。 基于式（1），設(shè)計風壓為：

根據(jù)三角形載荷的偏距計算，可得新的計算模型：

以白城的光伏發(fā)電陣列為計算標準， 陣列總高度為6 m，傾斜角度為55°，設(shè)計基本風速為30 m/s。 以一個陣列單元作為計算的基準，每一個陣列單元由4 塊長2 m、寬1 m 的太陽能發(fā)電板組成。 由式（1）和（3）與新的風載荷計算模型的風載荷，得到表5。

圖4 梯形載荷的分解

表5 中國規(guī)范、日本規(guī)范與新計算模型的風載荷比較

由表5 數(shù)據(jù)可知，同日本標準相比，中國標準的風載計算模型具有較大的保守性。 新的模型不但繼承了風載荷分布為梯形分布的事實，而且計算結(jié)果依據(jù)力學原理，具有更高的借鑒性。

圖5 MATLAB GUI 設(shè)計界面

3 基于MATLAB GUI 的風載計算工具

為方便計算光伏跟蹤支架的風載荷， 省卻大量的計算和驗算，減少工作人員的精力與時間，根據(jù)所建模型開發(fā)了基于MATLAB GUI 的光伏跟蹤支架風載計算工具。 如圖5 所示，使計算更為簡潔高效。

4 總結(jié)

因光伏發(fā)電板在風載作用下， 其表面產(chǎn)生的風載荷分布形式為梯形分布，而非現(xiàn)有規(guī)范中所表述的均布載荷。 與現(xiàn)有計算方法相比， 本文提出的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)風載荷設(shè)計模型更加符合風載作用的實際情況。 除此之外， 設(shè)計開發(fā)MATLAB GUI 的計算工具，使計算更加簡潔高效，為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計提供更好的輔助。