人字形光伏陣列防風(fēng)效果的數(shù)值模擬

趙文舉，劉貴元，虎軍宏，胡家珍

（蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

西北戈壁地區(qū)的有效風(fēng)能密度高于200 W/m2，年可用時數(shù)超過5 000 h，平均年太陽輻射量達(dá)6 500 MJ/m2，風(fēng)、光能資源十分豐富，是中國陸地風(fēng)能開發(fā)潛力最高[1]和光能資源最豐富[2]的地區(qū)之一.但強(qiáng)烈的風(fēng)吹日曬加劇了水的蒸發(fā)，限制著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展，常兆豐等[3]的研究指出戈壁光伏電站兼有調(diào)節(jié)地表熱力平衡和防風(fēng)治沙的作用.因此，分析光伏陣列的防風(fēng)效果，對戈壁地區(qū)光伏電站建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有切實的指導(dǎo)意義.

一方面，國內(nèi)外學(xué)者就光伏陣列的風(fēng)荷載特點進(jìn)行了大量研究.SHADEMAN等[4]指出陣列選擇適宜的縱向間距可以利用遮蔽效果來減小升力；WARSIDO等[5]分析了間距對光伏陣列風(fēng)荷載的影響，研究指出風(fēng)荷載系數(shù)隨著光伏板之間縱向間距的增加而增加；高亮等[6]的研究發(fā)現(xiàn)光伏板風(fēng)荷載對其傾角變化敏感且隨傾角的增大而增大；周煒等[7]針對光伏板正向、背向風(fēng)荷載的極限工況，分析了其在不同高度、傾角、間距布置下的風(fēng)荷載及折減特性.JUBAYER等[8]研究了單列5塊光伏板在不同迎風(fēng)角度下的風(fēng)荷載，結(jié)果表明：在迎風(fēng)角度為0°和180°時，第1排承受最大的升、阻力，而在迎風(fēng)角度為45°和135°時，光伏板承受最大的傾覆力矩.另一方面，國內(nèi)外學(xué)者對常見風(fēng)障的防風(fēng)效果進(jìn)行了大量研究.LI等[9]研究指出圍欄的高度和孔隙率是控制流動結(jié)構(gòu)和遮蔽效果的最重要因素；李家樂等[10]就擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果進(jìn)行了仿真研究，研究表明3 m和5 m擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)風(fēng)速分別從0呈三角形和矩形趨勢逐漸增加；沈廣旭等[11]研究了3種孔隙率防風(fēng)柵的擋風(fēng)效果,結(jié)果表明：隨著防風(fēng)柵孔隙率的增加，防風(fēng)柵對風(fēng)壓的減弱效果變差；張凱等[12]用數(shù)值模擬方法分析了三道連續(xù)HDPE板沙障的合理間距問題，研究表明:孔隙率一定時，入口風(fēng)速越大，HDPE板沙障有效防護(hù)距離越小.

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對光伏陣列風(fēng)荷載特點和常見風(fēng)障的防風(fēng)效果進(jìn)行了大量研究，為文中的研究積累了許多借鑒之處，但對于光伏陣列的防風(fēng)效果鮮有研究.為此，文中采用三維數(shù)值模擬的方法，分析人字形光伏陣列的抗風(fēng)載能力和防風(fēng)效果，以期為戈壁光伏陣列布設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論指導(dǎo).

1 方法

1.1 幾何模型

根據(jù)ALY[13]的研究，尺縮效應(yīng)會造成試驗與模擬得到的光伏板峰值荷載不一致，故文中采用原型尺寸建模.借鑒某型號光伏板的尺寸及布置參數(shù)，用UG 10.0建立由9塊長（l）×寬（b）×厚（t）為2 m×1 m×0.05 m的光伏板組成離地高度M為0.20 m、陣列距離D為2 m、安裝傾角a為30°、陣列角度A為30°布置的人字形光伏陣列模型.根據(jù)FRANKE等[14]創(chuàng)建的《建筑物環(huán)境中CFD模擬指南》，確定計算域尺寸：記光伏板頂緣高度為H，則陣列前緣5H處為入口邊界，后緣15H處為出口邊界，兩側(cè)5H處為壁面邊界，頂部5H處為頂部邊界，計算并用SpaceClaim軟件創(chuàng)建的計算域尺寸為21.82 m×17.00 m×4.24 m，計算域及參數(shù)示意圖見圖1.

1.2 網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，采用了以下方法：為較好捕捉到尺寸漸進(jìn)和局部特征，全局網(wǎng)格的尺寸控制函數(shù)選用逼近與曲率函數(shù)；為減少四面體網(wǎng)格的數(shù)量，組件網(wǎng)格采用Cut Cell劃分方法；使用邊界層網(wǎng)格與局部尺寸函數(shù)對光伏板和底面附近網(wǎng)格進(jìn)行局部優(yōu)化[15].劃分得到5 838 369個網(wǎng)格節(jié)點，5 431 865個計算單元.計算域網(wǎng)格剖視圖見圖2.

1.3 數(shù)值模型

使用Fluent非定常求解器進(jìn)行三維原型仿真分析.有研究表明，SSTk-ω湍流模型在研究傾斜板附近流場方面優(yōu)于Realizablek-ε模型[5]，且RANS比LES更能準(zhǔn)確描述流動分離和遮蔽效應(yīng)[16]，故采用SSTk-ω湍流模型求解基于雷諾平均的Navier-Stokes方程的方法.趙文舉等[17]指出，當(dāng)粒徑超過10 mm后削弱度基本不變，文中取底面邊界為10 mm的無滑移固定邊界；根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，速度入口分別取10 m/s和15 m/s，自由壓力出口；指定材料屬性，監(jiān)控光伏板上表面升、阻力系數(shù)，使用Hybrid方法初始化.時間步長取0.2 s，迭代50步，每步最大迭代次數(shù)為40次.

2 結(jié)果與分析

首先通過分析光伏板上表面壓力和計算域特征高度的風(fēng)速分布，定性描述該陣列光伏板風(fēng)壓承載狀況和計算域特征高度風(fēng)速特點；然后分別對光伏板承受的風(fēng)壓力和特征高度的風(fēng)速值進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，以定量表征該布置下光伏陣列的抗風(fēng)載能力和防風(fēng)效果.

2.1 風(fēng)壓和風(fēng)速分布

由于模型和來流條件均具有嚴(yán)格的對稱性，故只需取陣列一側(cè)作為研究對象；且此來流條件下光伏板最可能從上表面開始破壞，故只需研究其上表面的風(fēng)壓分布特點.圖3a，3b分別為10 m/s和15 m/s風(fēng)速下，第1—5排光伏板上表面壓力p云圖.可以發(fā)現(xiàn)：最大正壓均出現(xiàn)在光伏板前緣偏外側(cè)區(qū)域，即陣列底部翼型連線上，最大負(fù)壓出現(xiàn)在光伏板左側(cè)區(qū)域，即陣列內(nèi)側(cè)翼型連線上；極端正壓和極端負(fù)壓區(qū)域面積均隨著排數(shù)的增加而減小；首排光伏板承受較高風(fēng)壓力，起到保護(hù)其他排的作用，即出現(xiàn)“雁陣效應(yīng)”.

分別取安裝高度一半、安裝高度、光伏板中心高度和光伏板頂緣高度的特征截面，即離地0.10，0.20，0.45，0.70 m處的風(fēng)速為研究對象，以特征截面的風(fēng)速反映計算域空間上的風(fēng)速分布特點.圖4為10 m/s和15 m/s下各截面的風(fēng)速等值線圖.一方面，等值線的疏密程度能夠反映風(fēng)速在空間上的變化情況：在光伏板附近等值線密集，風(fēng)速急劇變化；另一方面，等值線的值反映各級風(fēng)在空間上的分布情況：來風(fēng)在通過人字形陣列時銳減，在陣列后形成近金字塔形的風(fēng)速衰減區(qū)，證實了此布置方式具有較好的防風(fēng)效果；在陣列外側(cè)形成局部風(fēng)速激增區(qū)，可能是由于出現(xiàn)雁陣效應(yīng)后，光伏板的導(dǎo)流作用加速了陣列外側(cè)區(qū)域的空氣流動.

2.2 抗風(fēng)載能力

為進(jìn)一步量化分析陣列抗風(fēng)載能力，在每塊光伏板上用矩形網(wǎng)格法按0.4 m的等間距取3×5個監(jiān)測點，分別用風(fēng)壓承載率和風(fēng)壓區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)直觀表示光伏板整體和局部的風(fēng)壓承載狀況，以反映該光伏陣列不同位置的抗風(fēng)載能力.

其中，風(fēng)壓承載率計算方法見式（1），風(fēng)壓承載率越小，表明該排光伏板的承載狀況越好，即該處的抗風(fēng)載能力越小.

（1）

式中：ηi為第i排的風(fēng)壓承載率；Pi為第i排的平均壓力.

現(xiàn)將各排光伏板的風(fēng)壓力描述性統(tǒng)計特征列入表1，其中v為風(fēng)速，i為排數(shù)，SP為壓力標(biāo)準(zhǔn)差，e為變異系數(shù).可以發(fā)現(xiàn)：第1排承受最大的風(fēng)壓力，第2—5排需要的抗風(fēng)載能力顯著小于第1排且逐排減?。寒?dāng)風(fēng)速為10 m/s時，第2—5排的抗風(fēng)載能力分別僅是第1排的51.09%，46.52%，36.56%和29.90%；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，第2—5排的抗風(fēng)載能力分別僅是第1排的49.44%，44.71%，37.09%和29.26%.風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時，第1—5排變異系數(shù)均逐漸增大，光伏板表面的風(fēng)壓不均勻度逐排增加，故有必要進(jìn)一步分析光伏板表面風(fēng)壓的局部特點.

表1 各排光伏板的風(fēng)壓力描述性統(tǒng)計特征

為分析光伏板表面風(fēng)壓的局部差異性，將各排光伏板上監(jiān)測點|P|按20 Pa的間隔劃分為不同的風(fēng)壓區(qū).統(tǒng)計各風(fēng)壓區(qū)的監(jiān)測點數(shù)，得到如圖5a，5b的各排風(fēng)壓區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)統(tǒng)計圖.可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時，第1排0～20 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)均遠(yuǎn)小于其他排，承受較大的風(fēng)壓力.當(dāng)風(fēng)速為10 m/s，第1排40～60 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)大于其他排；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，第1排120～140 Pa區(qū)間監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)大于其他排.首排光伏板對后排光伏板均起到保護(hù)作用，且極大壓力區(qū)均隨排數(shù)的增加而顯著減小，故實際建設(shè)中只需采取局部加固的方法即可提高光伏陣列整體的抗風(fēng)載能力.

2.3 防風(fēng)效果

（2）

式中：ηd為風(fēng)速殘余系數(shù)；v計算為風(fēng)場中任意點處風(fēng)速；v初始為入口風(fēng)速，此例為10 m/s.

表2 計算域不同高度風(fēng)速的描述性統(tǒng)計特征

由表2可知，各工況下計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)ηd均隨離地高度的增加而增大：當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，在離地0.10 m處，計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)最小，隨著高度的增加，計算域內(nèi)平均風(fēng)速殘余系數(shù)分別增加3.75%，3.77%和3.18%；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，在離地0.10 m處，計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)最小，隨著高度的增加，計算域內(nèi)平均風(fēng)速殘余系數(shù)分別增加4.46%，5.79%和3.76%.可能是由于陣列的防風(fēng)效果由遮蔽效果和導(dǎo)流效果構(gòu)成，隨著高度的增加，導(dǎo)流效果逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致光伏陣列計算域內(nèi)的防風(fēng)效果隨著高程的增加而減弱.在離地0.10 m處，平均風(fēng)速殘余系數(shù)均是最小的，說明此布置對光伏板安裝高度以下空間具有良好的防風(fēng)效果.在離地高度從0.20 m增加到0.45 m的過程中，平均風(fēng)速殘余系數(shù)增量最大，這是因為光伏板沿陣列方向的導(dǎo)流效果驟增，本計算方法將陣列兩側(cè)區(qū)域的風(fēng)速值也考慮在內(nèi)，故計算域平均風(fēng)速會有顯著提高.在離地高度從0.45 m增加到0.70 m的過程中，陣列計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)增量較小，這是因為光伏板沿陣列方向的導(dǎo)流效果變化不顯著.

各工況下風(fēng)速分布均表現(xiàn)出中等變異性.當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.70，0.10 m；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.10，0.70 m.分析認(rèn)為是由于在0.20 m處，出現(xiàn)“雁陣效應(yīng)”，在陣列外側(cè)形成風(fēng)速激增區(qū)，導(dǎo)致計算域風(fēng)速分布的差異性驟增；在離地高度從0.20 m增加到0.70 m的過程中，由于導(dǎo)流效果增強(qiáng)，防風(fēng)效果減弱，計算域風(fēng)速均有所提高，故變異系數(shù)逐漸減小.

3 結(jié) 論

通過基于雷諾平均的三維非定常數(shù)值模擬試驗，分析了安裝傾角、高度、陣列角度和間距分別為30°，0.20 m，30°和2 m人字形光伏陣列在10 m/s和15 m/s的迎風(fēng)條件下的抗風(fēng)載能力和防風(fēng)效果，得到以下結(jié)論：

1） 最大正壓和最大負(fù)壓區(qū)分別位于陣列底部、內(nèi)側(cè)翼型連線上，且面積均隨著排數(shù)的增加而減小；首排光伏板相較于后排承受較高風(fēng)壓力，陣列出現(xiàn)“雁陣效應(yīng)”.在人字形陣列后形成近金字塔形的風(fēng)速衰減區(qū)，具有較好的防風(fēng)效果；在陣列外側(cè)形成局部風(fēng)速激增區(qū)，光伏板的導(dǎo)流作用加劇了陣列外側(cè)區(qū)域的空氣流動.

2） 當(dāng)風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時，首排光伏板均承受最大的風(fēng)壓力，第2—5排需要的抗風(fēng)載能力顯著小于首排且實現(xiàn)逐排減小趨勢；第1—5排變異系數(shù)均逐漸增大.將|P|以20 Pa的間隔劃分為不同風(fēng)壓區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)：第1排極小壓力區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)小于其他排，而極大壓力區(qū)監(jiān)測點占有數(shù)遠(yuǎn)大于其他排，首排光伏板對后排光伏板均起到保護(hù)效果，且極大壓力區(qū)均隨排數(shù)的增加顯著減小，故實際建設(shè)中只需采取局部加固的方法即可提高光伏陣列整體的抗風(fēng)載能力.

3） 當(dāng)風(fēng)速為10 m/s和15 m/s時，計算域內(nèi)的平均風(fēng)速殘余系數(shù)均隨離地高度的增加而增大，風(fēng)速分布均表現(xiàn)出中等變異性的特征.在離地高度從0.20 m增加到0.45 m的過程中，風(fēng)速殘余系數(shù)增量分別達(dá)到極大值3.77%和5.79%；當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.70，0.10 m；當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，變異程度從大到小依次為0.20，0.45，0.10，0.70 m.分析得出是由于陣列的防風(fēng)效果由遮蔽效果和導(dǎo)流效果構(gòu)成，在離地高度從0.20 m增加到0.70 m的過程中，導(dǎo)流效果隨著高度的增加而增強(qiáng)，使得陣列整體防風(fēng)效果隨著高程的增加而減弱.