基于超級(jí)計(jì)算的大規(guī)模跟蹤式光伏發(fā)電陣列風(fēng)壓分布研究

收稿日期：2022-01-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52178476）

通信作者：李正農(nóng)（1962—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事建筑、水木結(jié)構(gòu)及建筑物抗震、抗風(fēng)方面的研究。zhn88@263.net

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0070 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0242-10

摘 要：首先對(duì)與跟蹤式光伏組件結(jié)構(gòu)相似的單個(gè)定日鏡進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬，然后將兩種方法獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該文所采用的CFD數(shù)值方法的可靠性。其次建立3種不同長(zhǎng)寬比的跟蹤式單體光伏組件模型，研究單體光伏組件在0°風(fēng)向角下長(zhǎng)寬比對(duì)其平均風(fēng)壓分布的影響。最后建立大規(guī)模太陽能跟蹤器光伏陣列模型，對(duì)5種具有代表性意義的工況（來流風(fēng)向角：0°、45°、90°、135°、180°）進(jìn)行模擬研究，得到B類地貌風(fēng)場(chǎng)條件下光伏組件群代表位置處光伏組件的平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：來流風(fēng)向角不同，光伏組件群中不同位置的光伏組件風(fēng)壓分布有所區(qū)別；45°和135°斜風(fēng)向角下光伏組件所受平均風(fēng)壓最大，即45°和135°為最不利風(fēng)向角；光伏組件群四周位置為組件群最不利受力位置。

關(guān)鍵詞：光伏組件；超級(jí)計(jì)算機(jī)；平均風(fēng)壓系數(shù)；最不利風(fēng)向角；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU312+.1 """"""" "" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

常見的太陽能發(fā)電的形式有太陽能熱發(fā)電和光伏發(fā)電等。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)定日鏡的鏡面形狀一般為長(zhǎng)寬比相差不大的矩形。光伏陣列的支架分為固定式與跟蹤式兩種，陣列中的光伏組件縱向長(zhǎng)度可達(dá)幾十米甚至百米以上（如圖1）。定日鏡和跟蹤式光伏陣列都屬于可隨太陽轉(zhuǎn)動(dòng)且與水平地面有一定夾角的開敞式薄板類結(jié)構(gòu)，二者具有一定的相似性。對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載往往是其控制荷載，對(duì)其進(jìn)行抗風(fēng)研究必不可少。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的定日鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗風(fēng)研究。Peterka等［1］根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：定日鏡群中單鏡鏡面的表面風(fēng)荷載大小會(huì)受到周圍鏡體的影響；在鏡群中設(shè)置柵欄結(jié)構(gòu)也會(huì)改變單鏡鏡面的表面風(fēng)荷載大小。Pfahl等［2-3］研究了不同長(zhǎng)寬比以及不同雷諾數(shù)下定日鏡所受的風(fēng)荷載大??；王鶯歌等［4］通過定日鏡的風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，得到不同仰角和不同風(fēng)向角下定日鏡表面的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓分布特性；宮博等［5-6］基于頻域?qū)Χㄈ甄R進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)分析，其研究成果可為定日鏡的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；鄒瓊等［7］對(duì)單個(gè)槽式聚光鏡進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，分析研究其鏡面平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓的分布規(guī)律，探討了脈動(dòng)風(fēng)壓的概率分布，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)峰值因子的取值給出相應(yīng)建議；李正農(nóng)等［8］分別采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩種方法對(duì)某塔式太陽能定日鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，其模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果吻合較好；朱春燕［9］對(duì)大規(guī)模定日鏡群進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，研究了鏡群在相互干擾下代表位置處定日鏡鏡面風(fēng)壓分布規(guī)律及脈動(dòng)風(fēng)壓分布的相關(guān)特性。

目前，關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的抗風(fēng)研究大多是針對(duì)固定式光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Warsido等［10］采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)兩種方法研究了光伏組件之間的橫向間距和縱向間距對(duì)地面安裝光伏陣列風(fēng)荷載的影響；Abiola-Ogedengbe等［11］研究了4種不同風(fēng)向角下光伏組件上、下表面的壓力分布情況；Reina等［12］利用CFD數(shù)值模擬，計(jì)算在大氣邊界層流動(dòng)下地面安裝太陽能跟蹤器光伏組件的風(fēng)荷載；阮輝等［13］采用數(shù)值模擬方法，研究了不同安裝間距下光伏組件表面風(fēng)荷載分布規(guī)律；馬文勇等［14］通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同底部阻塞率對(duì)光伏組件表面的風(fēng)荷載分布特性的影響；樓文娟等［15］采用風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算方法研究了超大型陣列中間區(qū)域的光伏組件風(fēng)荷載的大小以及隨著串列數(shù)量的增大其遮擋效應(yīng)的變化規(guī)律。

由于風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法的局限性，以往研究大多針對(duì)單個(gè)、單列或小陣列數(shù)的光伏組件，對(duì)于大型光伏陣列的風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)的研究較少。近年來計(jì)算流體力學(xué)（CFD）發(fā)展迅速，因其成本低、速度快以及能構(gòu)造足尺模型進(jìn)行計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工程流場(chǎng)數(shù)值模擬。由于大規(guī)模跟蹤式光伏發(fā)電陣列的模擬計(jì)算量非常巨大，一般的計(jì)算機(jī)工作站難以開展計(jì)算分析。因此，本文采用商用CFD軟件Fluent 17.0，利用國(guó)家超級(jí)計(jì)算長(zhǎng)沙中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模跟蹤器群光伏組件的風(fēng)壓分布數(shù)值模擬研究。長(zhǎng)沙超算中心采用“天河一號(hào)”高性能計(jì)算機(jī)，具有極強(qiáng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力，可高效率地對(duì)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)千萬級(jí)別乃至過億的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

為了開展大規(guī)模跟蹤器群光伏組件風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬研究，需先驗(yàn)證相關(guān)數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，為此先進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)的定日鏡的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)地點(diǎn)在湖南大學(xué)的HD-3大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)室，該風(fēng)洞為低速、直流型邊界層風(fēng)洞，試驗(yàn)段的橫截面尺寸為3 m×2.5 m（寬×高），試驗(yàn)段風(fēng)速為0～20 m/s，可連續(xù)均勻調(diào)節(jié)，配備有直徑1.8 m的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)0°～360°風(fēng)向角范圍的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過程中采用的測(cè)壓裝置系統(tǒng)為美國(guó)PSI掃描閥公司的DTCnet電子式壓力掃描閥系統(tǒng)，共256個(gè)掃描通道。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)過程中采用的定日鏡模型，其鏡面由塑料板制成，底座由鋼鐵制成，模型的縮尺比為1∶30，縮尺后的鏡面板長(zhǎng)193 mm，寬123 mm，定日鏡水平角與仰角如圖2所示。由于

elevation angle of heliostat

模型縮尺比較小，對(duì)鏡面模型采用不開縫處理，模型與實(shí)物在外形上保持幾何相似。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)定日鏡模型采用雙面對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)，上下表面各布置測(cè)點(diǎn)30個(gè)，共布置測(cè)點(diǎn)60個(gè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。試驗(yàn)的阻塞率小于5%，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)的要求。

（unit： mm）

1.3 試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模擬

風(fēng)速剖面與湍流度剖面采用中國(guó)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）［16］中規(guī)定的B類地貌風(fēng)場(chǎng)。平均風(fēng)速剖面采用如下指數(shù)率表達(dá)式：

[Uz=U10z10α]"" （1）

式中：[Uz]——離地高度[z]處的平均風(fēng)速，m/s；[U10]——離地10 m高度處的平均風(fēng)速，m/s；[α]——地面粗糙度指數(shù)，B類地貌取值為0.15。

荷載規(guī)范中風(fēng)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度沿高度的分布為：

[Iuz=I10z10-α] （2）

式中：[I10]——10 m高度處的名義湍流度，對(duì)于B類地貌取值為0.14。

試驗(yàn)中采用格柵、尖劈、擋板、粗糙元等裝置模擬出符合中國(guó)荷載規(guī)范的B類地貌風(fēng)場(chǎng)（見圖3），試驗(yàn)中的風(fēng)剖面如圖5所示。

2 單個(gè)定日鏡的模擬

2.1 模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬的定日鏡仰角為60°，結(jié)構(gòu)尺寸選擇與風(fēng)洞試驗(yàn)定日鏡原型尺寸一致，鏡面板尺寸為5790 mm×3690 mm（長(zhǎng)×寬）。在數(shù)值風(fēng)洞中，計(jì)算域的尺寸必須足夠大，保證流場(chǎng)能充分發(fā)展，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果。同時(shí)，計(jì)算域的尺寸不宜選擇過大，否則會(huì)加大網(wǎng)格數(shù)量，增大計(jì)算量。一般要求計(jì)算域的阻塞率不超過3%，即認(rèn)為計(jì)算域滿足要求。單個(gè)定日鏡模擬計(jì)算的計(jì)算域尺寸選擇為75 m×48 m×42 m，滿足阻塞率小于3%的要求。本文采用ANSYS ICEM CFD劃分網(wǎng)格，為使網(wǎng)格劃分的質(zhì)量較好，對(duì)計(jì)算域采用混合網(wǎng)格劃分方式，在定日鏡表面及附近區(qū)域使用對(duì)細(xì)小特征適應(yīng)性更強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，外部采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，即采用內(nèi)外域嵌套的方式建立計(jì)算域網(wǎng)格。圖6為定日鏡的計(jì)算域整體網(wǎng)格劃分情況。

2.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件參照李正農(nóng)等［17］對(duì)大規(guī)模定日鏡表面風(fēng)壓特性研究的取值方法。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域的入流邊界采用速度入口邊界條件（velocity-inlet），出流邊界采用自由出流邊界條件（outflow），兩側(cè)壁面及上頂壁面采用對(duì)稱邊界條件（symmetry），在光伏支架表面及地面邊界條件采用無滑移壁面（wall），對(duì)于近壁面的處理：采用Standard Wall Functions來模擬近壁面邊界層的流動(dòng)問題。

為構(gòu)造與風(fēng)洞試驗(yàn)一致的流場(chǎng)，還需對(duì)入口的風(fēng)速和湍流度按式（1）和式（2）進(jìn)行定義。數(shù)值模擬入口的風(fēng)場(chǎng)剖面如圖5所示。

來流的湍流特性可通過設(shè)置湍流動(dòng)能[k]和湍流耗散率[ε]來表征，湍流動(dòng)能[k]和湍流耗散率[ε]的計(jì)算公式為：

[k=32（UzIz）2]"" （3）

[ε=C34μk32l]" （4）

式中：[Iz]——風(fēng)場(chǎng)入口處的湍流強(qiáng)度；[Cμ]——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值為0.09；[l]——湍流積分尺度。

2.3 計(jì)算與求解

采用雷諾平均N-S模型計(jì)算結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓，計(jì)算求解采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器。湍流模型選取Realizable [k]-[ε]模型，壓力-速度耦合方程采用SIMPLEC算法，流場(chǎng)動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率的離散格式均采用二階迎風(fēng)格式（second order upwind），其余參數(shù)設(shè)置保持默認(rèn)。計(jì)算步數(shù)設(shè)置為4000步，迭代殘差低于1×10-5。

2.4 數(shù)據(jù)處理

定日鏡與光伏組件屬于開敞式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓通常采用無量綱的凈風(fēng)壓系數(shù)來衡量：

[Cpi=pfi-pbi0.5ρU02]"" （5）

式中：[Cpi]——結(jié)構(gòu)表面測(cè)點(diǎn)無量綱凈風(fēng)壓系數(shù)；[pfi、][pbi]——定日鏡（或光伏組件）上、下表面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓值，Pa；[ρ]——空氣密度，kg/m3；[U0]——參考點(diǎn)高度處的平均風(fēng)速，m/s；定日鏡模擬風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速風(fēng)向參考點(diǎn)選取在定日鏡模型前方來流未受擾動(dòng)區(qū)域，距離定日鏡0.5 m，離地高度0.333 m位置處。在風(fēng)洞試驗(yàn)1∶30的縮尺比下，對(duì)應(yīng)實(shí)際為距離定日鏡前方15 m，離地高度10 m位置處。

風(fēng)洞試驗(yàn)中可得到測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程，試驗(yàn)中采樣頻率312.5 Hz，采樣時(shí)間32 s，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)共采集10000個(gè)風(fēng)壓數(shù)據(jù)。通過分析[Cpi（t）]可得到測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)，計(jì)算公式為：

[Cpi，mean=1Ni=1NCpi（t）] （6）

式中：[N]——風(fēng)洞試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的采樣數(shù)量，[N=10000]。

3 定日鏡模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

限于篇幅，本文僅對(duì)定日鏡仰角為60°，風(fēng)向角為0°情況下的風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD模擬獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所使用的CFD模擬方法的可靠性。

圖7為風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬的定日鏡表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖。本文中平均風(fēng)壓系數(shù)均為結(jié)構(gòu)上下表面疊加的凈平均風(fēng)壓系數(shù)。由圖7可知下，0°風(fēng)向角下，定日鏡的鏡面平均風(fēng)壓系數(shù)呈對(duì)稱分布，風(fēng)洞試驗(yàn)的平均風(fēng)壓系數(shù)值介于0.62～1.13之間，最大值出現(xiàn)在鏡面中部偏下位置處，最小值出現(xiàn)在鏡面中上部位置處，數(shù)值模擬結(jié)果介于0.73～1.14之間，風(fēng)壓系數(shù)最大值、最小值的分布位置與試驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)比模擬與風(fēng)洞的計(jì)算結(jié)果，兩者吻合良好，說明該模擬方法是可靠的。

4 不同長(zhǎng)寬比的單體光伏組件模擬

4.1 模型及網(wǎng)格劃分

通過改變光伏組件的縱向長(zhǎng)度以達(dá)到不同的長(zhǎng)寬比，研究單體光伏組件在0°風(fēng)向角下長(zhǎng)寬比對(duì)其平均風(fēng)壓分布的影響，采用的數(shù)值模擬方法與上文中定日鏡的模擬方法相同。

建立3組光伏組件模型，限于篇幅，本文中光伏組件板面的仰角均為60°，單個(gè)光伏組件的長(zhǎng)分別為6869 mm、17220 mm、35040 mm，寬均為4563 mm，將其分別記作組件A、組件B、組件C。光伏組件表面分隔縫寬15 mm，在建模中采用不開縫處理，其中組件C的光伏組件板左右間距為600 mm，不可忽略。組件A、B、C的模型正視圖如圖8所示。組件A、B、C的計(jì)算域尺寸分別設(shè)置為85 m×55 m×50 m、150 m×90 m×50 m、300 m×180 m×50 m，其阻塞率均小于3%，滿足要求。網(wǎng)格劃分方式仍采用混合網(wǎng)格，內(nèi)部采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

4.2 單個(gè)光伏組件模擬結(jié)果

圖9為0°風(fēng)向角下組件A、B、C板表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖。由圖9可知，0°風(fēng)向角下各組件板表面平均風(fēng)壓系數(shù)呈對(duì)稱分布，組件A的風(fēng)壓系數(shù)值介于0.69～1.10之間，組件B的風(fēng)壓系數(shù)值介于0.68～1.11之間。組件A、B的平均風(fēng)壓系數(shù)最大值均分布在組件板面中部偏下位置處，最小值分布在組件板面的上邊緣中間位置處。組件C的平均風(fēng)壓系數(shù)由上到下依次增大，其值介于0.70～1.19之間。組件C的平均風(fēng)壓系數(shù)最大值分布在組件板面的中部下邊緣位置處，即組件板面中間開縫位置處下邊緣，平均風(fēng)壓系數(shù)最小值分布在組件左右兩側(cè)板面的上邊緣位置處；盡管組件C中間有開縫，但由模擬結(jié)果可知中間開縫對(duì)組件風(fēng)壓分布趨勢(shì)及數(shù)值影響不大。組件A、B、C的長(zhǎng)寬比分別為1.51、3.77、7.68，對(duì)比組件A、B、C的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)改變長(zhǎng)寬比組件平均風(fēng)壓系數(shù)最小值的變化不大且最小值的分布位置也未發(fā)生改變，均分布在組件板面上邊緣位置，但隨著長(zhǎng)寬比的增大，組件板面平均風(fēng)壓系數(shù)最大值的出現(xiàn)位置向組件板面下邊緣有小幅度偏移，最大值也有所增大，但增大的幅度較小。

5 光伏陣列風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬

5.1 模型及網(wǎng)格劃分

在實(shí)際工程中，跟蹤式發(fā)電系統(tǒng)通常由成百上千甚至更多的光伏組件組成。由于軟件、計(jì)算能力等的局限性，本文研究的光伏組件群由65個(gè)光伏組件組成，共13排，每排有5個(gè)光伏組件，排間距為11 m，2個(gè)光伏組件的間距為1 m。光伏組件的規(guī)格同本文中上述的組件C，如圖8所示。

光伏陣列數(shù)值模擬的計(jì)算域尺寸設(shè)置為1800 m×1000 m×100 m（長(zhǎng)×寬×高），其阻塞率小于3%，滿足數(shù)值模擬要求。計(jì)算域采用混合網(wǎng)格劃分方式，內(nèi)域設(shè)計(jì)成圓柱形計(jì)算域，劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；外域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)方體計(jì)算域，采用“O”型切分方式劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用圓柱形計(jì)算內(nèi)域的優(yōu)點(diǎn)為：通過繞圓柱中心軸旋轉(zhuǎn)內(nèi)計(jì)算域，從而實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)向角下風(fēng)荷載計(jì)算模擬，不用因風(fēng)向角的不同重新劃分各工況下的計(jì)算域內(nèi)域網(wǎng)格，節(jié)約了劃分網(wǎng)格的時(shí)間。網(wǎng)格總數(shù)約8102.1萬。圖10為光伏陣列數(shù)值模擬計(jì)算域網(wǎng)格的劃分情況。

5.2 來流風(fēng)場(chǎng)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

跟蹤式光伏組件的俯仰角隨太陽位置的變化而變化，且光伏組件會(huì)受到不同角度的來流風(fēng)影響，因此光伏組件在大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)中有多種工況。考慮到模型網(wǎng)格數(shù)量較多、計(jì)算資源的受限以及計(jì)算時(shí)長(zhǎng)等因素，無法模擬光伏組件的全部工況。本文選取光伏組件仰角為60°，來流風(fēng)向角分別為0°、45°、90°、135°、180°這5種典型工況進(jìn)行模擬，研究光伏組件群正面迎風(fēng)、斜風(fēng)向角下正面迎風(fēng)、板面與風(fēng)向平行、斜風(fēng)向角下背面迎風(fēng)、背面迎風(fēng)5種工況下光伏組件群板面風(fēng)壓分布情況。來流風(fēng)向角示意圖如圖11所示。

選擇光伏組件群中9個(gè)典型位置處的光伏組件（見圖11）布置雙面測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖12所示。

6 光伏陣列模擬結(jié)果與分析

光伏陣列模擬風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速風(fēng)向參考點(diǎn)選取在光伏組件群前方來流未受擾動(dòng)區(qū)域，距離光伏組件群前方250 m，離地高度10 m位置處。

限于篇幅，圖13～圖17中僅表示出5種風(fēng)向角下1、5、8號(hào)光伏組件平均風(fēng)壓系數(shù)等值線圖。由圖13知，在0°風(fēng)向角下，光伏組件群的平均風(fēng)壓系數(shù)關(guān)于X軸呈對(duì)稱分布。光伏組件群整體平均風(fēng)壓系數(shù)介于-0.01～1.54之間。0°風(fēng)向角下，1號(hào)光伏組件處于光伏組件群迎風(fēng)面第1排，平均風(fēng)壓系數(shù)最大值分布在組件板面的右下角邊緣位置處，板面平均風(fēng)壓系數(shù)從上至下逐漸增大；5、8號(hào)光伏組件處于光伏組件群正中間一列，受前排光伏組件的遮擋，平均風(fēng)壓系數(shù)最大值均出現(xiàn)在組件板面上邊緣的兩側(cè)角部位置處，板面平均風(fēng)壓系數(shù)從上至下逐漸減小。

45°風(fēng)向角下，1號(hào)光伏組件平均風(fēng)壓系數(shù)最大值出現(xiàn)在板面的左下角位置，5、8號(hào)光伏組件平均風(fēng)壓系數(shù)最大值出現(xiàn)在板面的左上角位置，在該風(fēng)向角下，光伏組件群整體平均風(fēng)壓系數(shù)介于-0.02～1.94之間，各組件板面的平均風(fēng)壓系數(shù)沿來流方向逐漸減小。5、8號(hào)光伏組件受到周圍光伏組件的遮擋，其板面的平均風(fēng)壓系數(shù)整體較小。

當(dāng)來流風(fēng)向角為90°吹向光伏陣列時(shí)，光伏組件板面與來流風(fēng)平行，板面的平均風(fēng)壓系數(shù)有正值、負(fù)值，風(fēng)壓系數(shù)最大值出現(xiàn)在板面靠近來流風(fēng)的邊緣位置，整個(gè)光伏組件群的平均風(fēng)壓系數(shù)較小，介于-0.10～0.06之間。

當(dāng)風(fēng)向角為135°時(shí)，光伏組件的平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，整個(gè)光伏組件群的平均風(fēng)壓系數(shù)介于-0.02～-2.45之間。

1、5、8號(hào)光伏組件的平均風(fēng)壓系數(shù)最大值均出現(xiàn)在最靠近來流風(fēng)向的組件板面左上角位置處，沿著來流方向，光伏組件板面平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小。

180°風(fēng)向角下，光伏組件群的平均風(fēng)壓系數(shù)沿X軸呈對(duì)稱分布，整體平均風(fēng)壓系數(shù)介于-0.02～-1.64之間。該風(fēng)向角下，8號(hào)光伏組件位于光伏組件群迎風(fēng)面第一排中間位置，平均風(fēng)壓系數(shù)最大值出現(xiàn)在光伏組件板面的中部偏上位置，5號(hào)光伏組件平均風(fēng)壓系數(shù)最大值出現(xiàn)在組件左右兩側(cè)板面的上角部位置，板面的平均風(fēng)壓系數(shù)從上至下逐漸減小。1號(hào)光伏組件平均風(fēng)壓系數(shù)最大值出現(xiàn)在組件板面的左上角位置，從左至右板面的平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小，由于光伏組件群邊緣氣流的灌入，導(dǎo)致光伏組件群最外側(cè)邊緣位置的組件板面的風(fēng)壓分布不均勻，組件板面靠近外側(cè)的位置所受風(fēng)壓較大，其他部位相對(duì)較小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。

為直觀地看到各風(fēng)向角下光伏組件板面風(fēng)壓分布情況，不同風(fēng)向角下光伏組件板面部分測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)值圖18所示。各測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖12所示。由圖18a可知，0°風(fēng)向角下，迎風(fēng)面第一排光伏組件平均風(fēng)壓系數(shù)最大，最后一排次之，中間排最小。由圖18b可知，當(dāng)來流風(fēng)為45°斜風(fēng)向角吹向光伏組件正面，位于光伏組件群邊緣位置靠近來流風(fēng)的1、4、7號(hào)光伏組件和光伏組件群迎風(fēng)面第一排的光伏組件的平均風(fēng)壓系數(shù)較大，沿著來流方向，板面的平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小。由圖18c可知，當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，光伏組件群板面平均風(fēng)壓系數(shù)都非常小，光伏組件的位置對(duì)于其平均風(fēng)壓系數(shù)的分布影響較小。該風(fēng)向角屬于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)有利工況。由圖18d可知，當(dāng)流場(chǎng)風(fēng)向角為135°時(shí)，位于光伏組件群迎風(fēng)面的7、8、9號(hào)光伏組件和光伏組件群邊緣位置靠近來流風(fēng)的1、4、7號(hào)光伏組件的平均風(fēng)壓系數(shù)較大，其他位置的光伏組件由于周邊光伏組件的遮擋其平均風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)較小。沿著來流方向，板面平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小。由圖18e可知，當(dāng)來流風(fēng)為180°吹向光伏組件背面時(shí)，位于光伏組件群迎風(fēng)面第一排的7、8、9號(hào)光伏組件平均風(fēng)壓系數(shù)最大。由圖18可知，同一個(gè)組件板面角部位置的測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)較大，即板面角部更易受到較大的風(fēng)荷載作用。

綜上，處于流場(chǎng)不同位置的光伏組件在不同來流風(fēng)向角下所受平均風(fēng)壓有所不同。位于群體四周最外側(cè)邊緣位置的光伏組件所受平均風(fēng)壓大于群體中間位置的光伏組件所受平均風(fēng)壓；光伏組件在45°與135°風(fēng)向角下所受平均風(fēng)壓最大，更易發(fā)生破壞。

7 結(jié) 論

本文對(duì)仰角為60°，不同風(fēng)向角下的跟蹤式光伏組件群進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同風(fēng)向角下光伏組件表面風(fēng)壓分布，得到如下主要結(jié)論：

1）光伏組件板面的角部位置更易受到較大的平均風(fēng)壓，在設(shè)計(jì)中要格外注意組件板面的角部位置。

2）90°風(fēng)向角下，光伏組件群所受平均風(fēng)壓較小，該風(fēng)向角屬于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)有利工況。

3）45°和135°斜風(fēng)向角下，光伏組件群所受的平均風(fēng)壓最大，最靠近來流風(fēng)的光伏組件板面風(fēng)壓分布很不均勻，有可能存在較大的傾覆力矩，結(jié)構(gòu)更易受損，該風(fēng)向角為最不利風(fēng)向角。

4）光伏組件群四周邊緣位置的光伏組件比中間位置處的光伏組件所受平均風(fēng)壓大，即組件群四周為風(fēng)荷載最不利位置，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)光伏組件群四周邊緣位置處的光伏組件進(jìn)行加固等保護(hù)措施。

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RESEARCH ON WIND PRESSURE DISTRIBUTION OF LARGE-SCALE TRACKING PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION

ARRAY BASED ON SUPERCOMPUTING

Li Zhengnong1，2，Hu Cunyun1，Wu Honghua1，Wang Shitao3，Te Rigen1，Luan Xuetao1

（1. College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China；

2. Key Laboratory of Building Safety and Efficiency of the Ministry of Education， Hunan University， Changsha 410082， China；

3. Arctech Solar Technology Limited Holdings， Kunshan 215331， China）

Keywords：PV modules； supercomputer； mean wind pressure coefficient； most unfavorable wind angle； numerical simulation