地面光伏電站中光伏組件受風(fēng)載荷形變分析

麻程柳，許 巖

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司新能源國(guó)外事業(yè)部，上海 200063)

根據(jù)IEC61215要求，光伏組件需要經(jīng)過(guò)機(jī)械載荷測(cè)試，其目的是測(cè)試組件承受風(fēng)、雪、靜壓和冰載的能力。機(jī)械載荷測(cè)試包括靜態(tài)機(jī)械載荷試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷試驗(yàn)。大部分組件廠商均將2 400 Pa靜態(tài)機(jī)械載荷測(cè)試作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但與實(shí)際工況下的風(fēng)振動(dòng)和風(fēng)流動(dòng)變化有較大區(qū)別。自然界的風(fēng)是不斷流動(dòng)變化的，且頻率很高；但目前的靜態(tài)機(jī)械荷載測(cè)試中，風(fēng)荷載變化的頻率很低，不能充分評(píng)估力的反復(fù)作用對(duì)組件和電池的影響。同時(shí)，在自然環(huán)境中，風(fēng)荷載對(duì)組件和電池是一個(gè)長(zhǎng)期的疲勞應(yīng)力的影響，而目前的測(cè)試從測(cè)試時(shí)間上很難充分模擬其影響效果。因此，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)組件及光伏支架迎風(fēng)受力情況進(jìn)行分析，并有針對(duì)性的進(jìn)行光伏組件局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，調(diào)整優(yōu)化組件排列布局，對(duì)降低組件及支架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期機(jī)械損傷，減少電池片隱裂，增加結(jié)構(gòu)壽命，具有重要意義。

繆宏等[1]通過(guò)建立真空平板玻璃在風(fēng)載荷作用下表面繞度變形和應(yīng)力分布模型，發(fā)現(xiàn)在不同風(fēng)載條件下，最大應(yīng)力發(fā)生在距真空平板玻璃中心處最近的支撐處，最大繞度變形在斜線方向兩支撐柱的中點(diǎn)。胡搖等[2]采用計(jì)算流體力學(xué)理論建立模型，分析了不同角度、不同風(fēng)速下風(fēng)載荷對(duì)板間不同縫隙聚熱器的影響。趙明智等[3]采用風(fēng)洞對(duì)單個(gè)組件建立了低風(fēng)速試驗(yàn)，得到了在風(fēng)載荷作用下，光伏組件作用點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生偏移的結(jié)論。宮博等[4]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)單片光伏板在B類(lèi)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中的表面風(fēng)壓系數(shù)及體型系數(shù)進(jìn)行研究，并基于頻域方法計(jì)算光伏板的風(fēng)振位移響應(yīng)。黃張?jiān)５萚5]介紹了中國(guó)、日本和美國(guó)關(guān)于光伏支架風(fēng)荷載計(jì)算的規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)數(shù)值方法分析光伏板傾角及遮擋效應(yīng)對(duì)風(fēng)荷載體型系數(shù)的影響。阮輝等[6]采用數(shù)值模擬技術(shù)研究安裝間距對(duì)光伏板表面風(fēng)載荷的影響。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏組件風(fēng)載荷作用進(jìn)行了部分研究，但鮮有針對(duì)最新使用210 mm規(guī)格電池片的光伏組件進(jìn)行相關(guān)的分析。隨著光伏組件的機(jī)械尺寸越做越大，且電池片越做越薄，對(duì)光伏組件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、光伏支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。光伏電站整體布局設(shè)計(jì)規(guī)范也急需新理論注入，以便更好地適應(yīng)日益增大的光伏組件尺寸和增效降本的要求，對(duì)光伏系統(tǒng)受風(fēng)載荷影響情況的探索工作仍有很多工作要做。論文采用數(shù)值模擬的方法，模擬了相同間距不同風(fēng)速，相同風(fēng)速不同間距兩種情況下光伏組件偏角頂端的形變情況，分析風(fēng)速和組件間距影響光伏組件形變的規(guī)律，為抵抗極端風(fēng)速下光伏支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光伏電站整體布局設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

以210 mm電池片組件的常用尺寸和地面光伏電站實(shí)際布局為背景，利用COMSOL建立二維模型，分析將多排組件依次排列時(shí)固定風(fēng)速不同間距，以及固定間距不同風(fēng)速兩種情況下考慮組件受力和受力位移的計(jì)算模型。如圖1所示，計(jì)算域V包括流體域Vf和固體域(組件結(jié)構(gòu))Vs，流體域介質(zhì)為空氣，出口為一個(gè)大氣壓的壓力出口，流體通道長(zhǎng)L=40 m，高H=6 m；固體支架結(jié)構(gòu)為固定支架，材料為鋼，鋼結(jié)構(gòu)高度為1.38 m，支架鋼寬度0.08 m，組件面板材料為玻璃，第一排距速度入口8 m，組件高Hs=2.384 m，組件厚度Ws=0.007 m，傾角45°，其楊氏模量為35×108Pa，泊松比為0.33，材料密度為2 500 kg/m3。

1.2 質(zhì)量守恒方程

流體連續(xù)性方程為

(1)

式中x、y為空間坐標(biāo)系的分解方向；u、v為將整體速度分解為x、y方向的分解速度。

1.3 動(dòng)量守恒方程

流動(dòng)過(guò)程每一瞬間流體質(zhì)點(diǎn)處于準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)，動(dòng)量守恒方程為

(2)

(3)

式中，p為流體壓力；ρ0為流體密度；μ為粘度。

1.4 無(wú)量綱固體動(dòng)力學(xué)方程

(4)

(5)

(6)

(7)

2 數(shù)值方法及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用COMSOL建立結(jié)構(gòu)-流體相互耦合的雙向耦合分析模型。雙向流固耦合分析時(shí)首先進(jìn)行流場(chǎng)分析，將結(jié)果傳遞給固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，固體結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果又需要反向再傳遞給流場(chǎng)分析中，然后反復(fù)迭代直至收斂。

圖2為計(jì)算域網(wǎng)格示意圖。其中，圖2(a)為流體域和固體域網(wǎng)格分布圖；圖2(b)為組件網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖。在20 m/s風(fēng)速下5.5 m間距條件下進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)流體域網(wǎng)格數(shù)量為54.4萬(wàn)時(shí)，與網(wǎng)格密度更高的69.8萬(wàn)流體域網(wǎng)格相比，相對(duì)誤差不超過(guò)1%，考慮到計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)等因素，最終選定的網(wǎng)格數(shù)為54.4萬(wàn)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

1)不同風(fēng)速下組件等距排列的組件頂端位移對(duì)比

根據(jù)不同風(fēng)速下組件間距5.5 m的速度圖，迎風(fēng)方向第一排組件頂端是整個(gè)光伏電站模型中風(fēng)速變化率最高的區(qū)域，且靠近風(fēng)速最高的區(qū)域；第二排組件頂端是整個(gè)光伏電站模型中頂端風(fēng)速最低的區(qū)域，但組件面板組件底端風(fēng)速大于頂端風(fēng)速，并導(dǎo)致了第二排組件向上翹起(見(jiàn)圖3)。組件表面整體風(fēng)速較后三排組件要高，展示了光伏電站邊緣支架結(jié)構(gòu)加固的必要性。以上結(jié)果與高亮等[7]的研究成果“光伏組件所受風(fēng)荷載對(duì)其傾角變化敏感，隨著傾角的增大而增大；光伏組件所受風(fēng)荷載(正、負(fù)壓差值)在靠近來(lái)流上游處最大，方陣邊緣處較大，向下游發(fā)展逐漸變小”完全一致。

圖4顯示了隨著風(fēng)速的提高，各排組件頂端X方向變形情況。結(jié)果表明，光伏電站整體風(fēng)速除第一排和第二排組件受風(fēng)形變較大，從第三排開(kāi)始逐漸趨于平穩(wěn)。圖4中組件固定方式為中心軸U型固定的方式，實(shí)際以檁條固定的安裝方式居多，相比中心軸U型固定組件形變幅度要小，論文主要探究極端風(fēng)速下組件變形趨勢(shì)和規(guī)律。如果不對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)邊排組件和支架部分采取加固措施，勢(shì)必會(huì)增大電池片隱裂風(fēng)險(xiǎn)。

2)20 m/s風(fēng)速下組件間距不同時(shí)的組件頂端位移對(duì)比

20 m/s風(fēng)速組件間距變化時(shí)，整體速度分布趨勢(shì)與前面不同風(fēng)速下組件間距5.5 m的速度圖大致相同。圖5表明，當(dāng)組件間距為5.5～6 m時(shí)，第三排組件頂端形變量開(kāi)始趨于平穩(wěn)，且形變量最小，組件間距為5 m的組件頂端形變量反而最大，6.5 m時(shí)組件頂端形變量在第四排后才趨于平穩(wěn)，并與6 m間距時(shí)相差不大。因此組件排列間距具有最優(yōu)值，間距不宜過(guò)大和過(guò)小，且應(yīng)考慮陰影分布、土地成本和整體布局的協(xié)調(diào)性。

3)25 m/s風(fēng)速下組件間距不同時(shí)的組件頂端位移對(duì)比

25 m/s風(fēng)速時(shí)第一、第二排組件頂端X方向位移幅度較大，組件間距變化時(shí)，整體速度分布趨勢(shì)與前面兩種情況大致相同。圖6表明，當(dāng)組件間距為6 m時(shí)，第三排開(kāi)始組件頂端形變量即趨于平穩(wěn)，且形變量最??；組件間距為5 m的組件頂端形變量最大，5.5 m和6.5 m時(shí)組件頂端形變量在第四排后才趨于平穩(wěn)，且相差不大。這顯示了組件排列間距最優(yōu)值隨風(fēng)速變化而變化，25 m/s風(fēng)速的氣象條件為10級(jí)風(fēng)速，屬極端氣象，在光伏電站整體布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件的歷史情況進(jìn)行分析，并重新計(jì)算，以適應(yīng)場(chǎng)地環(huán)境因素。

4 結(jié) 論

該文以使用210 mm規(guī)格電池片組件的地面光伏電站實(shí)際布局為背景，將固定風(fēng)速通道內(nèi)光伏電站5排組件的流固耦合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了組件形變量、流場(chǎng)及應(yīng)力分布隨風(fēng)速及組件間距的變化情況，展示了風(fēng)流過(guò)各排組件的流動(dòng)情況，得到了通道內(nèi)組件布局影響因素機(jī)理。

a.在整個(gè)光伏電站布局中，迎風(fēng)方向第一排組件頂端是整個(gè)光伏電站模型中風(fēng)速變化率最高的點(diǎn)，且靠近風(fēng)速最高的區(qū)域，第二排組件頂端是整個(gè)光伏電站模型中頂端風(fēng)速最低的點(diǎn)，但組件面板組件底端風(fēng)速大于頂端風(fēng)速，并導(dǎo)致了第二排組件向上翹起。組件表面整體風(fēng)速較后三排組件要高。

b.風(fēng)速變化時(shí)，組件間距具有最優(yōu)值。一般在第三排組件頂端形變量開(kāi)始趨于平穩(wěn)，且形變量最小，組件間距設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)考慮土地成本和整體布局的協(xié)調(diào)性。

c.在整個(gè)光伏電站中，大風(fēng)速下(8級(jí)以上)前兩排組件波動(dòng)較大，如不進(jìn)行組件加固、支架加固等設(shè)計(jì)考慮，會(huì)對(duì)組件壽命造成影響。因此應(yīng)考慮進(jìn)行光伏電站邊緣支架結(jié)構(gòu)加固，如加裝額外檁條、優(yōu)化結(jié)構(gòu)固定位置等，以減少組件隱裂。