不同山坡地形下光伏陣列風(fēng)荷載干擾效應(yīng)研究

鐘 旻,周啟港,周占學(xué),龍浩楠

(1. 河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,河北 張家口 075000; 2. 江蘇開(kāi)放大學(xué) 建筑工程學(xué)院,江蘇 南京 210000)

0 引言

太陽(yáng)能作為綠色清潔能源在我國(guó)發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的地位日益提升,太陽(yáng)能光伏板作為采集太陽(yáng)能的重要設(shè)施常因風(fēng)荷載而發(fā)生破壞。目前對(duì)于光伏陣列的研究主要集中在平坦地面或者屋頂環(huán)境。

對(duì)于單個(gè)光伏板研究主要集中于光伏板的傾角、風(fēng)向角以及光伏板周圍流場(chǎng)。張慶祝等[1]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)原尺寸光伏板進(jìn)行了不同風(fēng)速下的風(fēng)荷載測(cè)定,認(rèn)為必須考慮其偏心距。賀廣陵等[2]認(rèn)為風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)風(fēng)壓分布形式可能采用梯形分布更合理。馬文勇等[3]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)給出了均勻分布模型、梯形分布模型和偏心距模型及其風(fēng)荷載取值。CHOWDHURY等[4]采用數(shù)值模擬的方法得出了單個(gè)光伏板的最不利風(fēng)向角。SHADEMAN等[5]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)光伏板的離地間隙進(jìn)行研究,指出在一定范圍內(nèi)離地間隙的增加會(huì)導(dǎo)致平均風(fēng)壓的增大。馬文勇等[6]通過(guò)對(duì)底部阻塞率的研究指出,底部阻塞會(huì)改變光伏板底部的局部氣流流動(dòng)從而影響光伏板的體型系數(shù)。李壽科等[7]通過(guò)改變光伏車棚屋面坡度,指出上半?yún)^(qū)屋面風(fēng)壓小于下半?yún)^(qū)屋面風(fēng)壓,并指出停車會(huì)減小車棚屋面的風(fēng)吸力。殷梅子等[8]和鄒云峰等[9]對(duì)跟蹤式光伏板風(fēng)荷載進(jìn)行了討論并與規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比,認(rèn)為目前規(guī)范所取值偏于保守。

對(duì)于平面上的光伏陣列,其研究方向主要圍繞光伏陣列的間距、遮擋效應(yīng)等影響因素展開(kāi)討論。WORKAMAW等[10]從陣列間距的角度出發(fā)對(duì)一大型光伏陣列模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究,試驗(yàn)表明橫向間距對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載影響較小,豎向間距的增加會(huì)顯著增加光伏板陣列的傾覆力矩,但間距足夠小時(shí),會(huì)產(chǎn)生負(fù)傾覆力矩。許寧等[11]通過(guò)數(shù)值模擬,對(duì)0°與180°風(fēng)向角下的光伏陣列風(fēng)荷載展開(kāi)研究,指出光伏陣列迎風(fēng)側(cè)第2排光伏板風(fēng)荷載最小,并會(huì)在第3排之后逐漸增加并趨于穩(wěn)定。樓文娟等[12]結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)一超大光伏陣列進(jìn)行研究,通過(guò)逐步增加陣列數(shù)量的方法將超大型光伏板陣列劃分為多個(gè)區(qū)域并給出不同區(qū)域的體形系數(shù)取值建議。馬文勇等[13]、江繼波等[14]對(duì)風(fēng)向角與光伏陣列傾角進(jìn)行了更細(xì)致的討論,認(rèn)為風(fēng)向角和傾角都會(huì)影響光伏陣列的遮擋效應(yīng)從而改變光伏板的風(fēng)荷載體型系數(shù)。另外,研究人員還對(duì)屋面上的光伏陣列進(jìn)行了研究[15-17], 研究表明: 光伏陣列的風(fēng)壓分布受到陣列本身間距與傾角的影響,間距越小, 后排光伏陣列的風(fēng)荷載體型系數(shù)越小。陣列所處的位置、遮擋物以及周圍環(huán)境因素都會(huì)影響光伏陣列中不同區(qū)域的光伏板所受的風(fēng)荷載。

由于光伏板結(jié)構(gòu)的高度普遍在1.5 m左右,近地風(fēng)場(chǎng)的變化很容易影響到光伏陣列所受到的風(fēng)荷載,因此不同地形下光伏陣列所受風(fēng)荷載情況存在差異。目前存在大量光伏陣列建設(shè)于山坡上,但對(duì)于不同山坡地形下的光伏陣列風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的研究鮮有涉及,因此本文通過(guò)風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)對(duì)山坡地形下的光伏陣列所受風(fēng)荷載展開(kāi)研究,為山坡地形下的光伏陣列的設(shè)計(jì)提供參考建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型數(shù)據(jù)及測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD-3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)段截面高3 m,寬2.5 m,試驗(yàn)段長(zhǎng)度10 m,轉(zhuǎn)盤直徑1.8 m,輸入風(fēng)速最高可達(dá)20 m/s,本試驗(yàn)的輸入風(fēng)速為10 m/s。

光伏陣列模型為剛性模型,板面材料為ABS,由于本次試驗(yàn)主要研究光伏板縱向方向的風(fēng)荷載分布變化規(guī)律,因此單個(gè)光伏板板面模型設(shè)置為長(zhǎng)200 mm,寬100 mm,縮尺比為1∶10。整個(gè)模型由板面、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和立柱三部分組成。陣列由3排2列共6個(gè)光伏板組成,每個(gè)光伏板正反面布置成對(duì)測(cè)點(diǎn),每一個(gè)板的每一面有8個(gè)測(cè)點(diǎn),全板共16個(gè)測(cè)點(diǎn),整個(gè)陣列共96個(gè)測(cè)點(diǎn)。山坡模型采用1200 mm×600 mm的膠合木木板,共10°、20°、30°這3個(gè)坡度可調(diào)節(jié),試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒛Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)布置、傾角設(shè)定、整體模型如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)布置Fig. 1 Test model and test layout

1.2 試驗(yàn)工況與參數(shù)設(shè)置

研究主要討論坡度、傾角2個(gè)影響因素對(duì)光伏陣列中不同位置的光伏板所受風(fēng)荷載的影響,共設(shè)置16個(gè)工況。傾角設(shè)置為10°、20°、30°、40°共4個(gè)傾角,坡度設(shè)置為0°、10°、20°、30°共4個(gè)坡度。根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]要求,光伏陣列中前排光伏板的影子不可遮擋后排光伏板,但實(shí)際工程中光伏板的傾角、高度、所處經(jīng)緯度都會(huì)影響其影子長(zhǎng)度,因此,為使陣列間的高度差最大化,本試驗(yàn)擬定日照間距系數(shù)為2.86,并根據(jù)4種坡度和模型高度,選取4個(gè)固定間距,具體工況設(shè)置如表1所示。根據(jù)規(guī)范[18]要求,光伏陣列應(yīng)盡量節(jié)約占地面積。由于坡度改變會(huì)同時(shí)影響光伏陣列的最小間距與高度差,因此考慮到實(shí)際工程需求,試驗(yàn)對(duì)各個(gè)坡度下的最小間距的光伏陣列進(jìn)行對(duì)比研究。

表1 工況設(shè)置Table 1 Working condition settings

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥畲笸队懊娣e為0.36 m2,該風(fēng)洞試驗(yàn)室允許最大投影面積為0.375 m2,符合GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[19]規(guī)定的小于5%的最大阻塞率的要求。本試驗(yàn)共用2個(gè)電子掃描閥共96個(gè)測(cè)點(diǎn),掃描閥采樣頻率為312.5 Hz,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集32 s共10000個(gè)數(shù)據(jù)。

測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)與測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓平均系數(shù)按式(1)～式(2)計(jì)算:

(1)

(2)

式中:CPi為模型上測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù);Pi為該測(cè)點(diǎn)的壓力值;P0為參考靜壓;ρ為空氣密度;V0為參考點(diǎn)的試驗(yàn)風(fēng)速。本次試驗(yàn),參考點(diǎn)高度取0.6 m,對(duì)應(yīng)原型結(jié)構(gòu)高度6 m,參考點(diǎn)風(fēng)速為7.6 m/s。

迎風(fēng)面風(fēng)壓平均系數(shù)、背風(fēng)面風(fēng)壓平均系數(shù)、凈風(fēng)壓平均系數(shù)分別按式(3)～式(5)計(jì)算:

(3)

(4)

(5)

1.3 風(fēng)場(chǎng)模擬

依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[19],丘陵按B類風(fēng)場(chǎng)考慮。由于過(guò)大的模型會(huì)影響風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng),因此試驗(yàn)將山坡地形作為模型的一部分考慮,在山坡及光伏陣列前方,采用擋板、粗糙等元裝置模擬了B類風(fēng)場(chǎng),風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置與風(fēng)剖面及湍流度如圖2所示。

圖2 風(fēng)場(chǎng)模擬Fig. 2 Wind field simulation

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 傾角與坡度對(duì)光伏板風(fēng)荷載的影響

為了消除山坡和傾角以外其他因素的影響,試驗(yàn)首先對(duì)單排光伏板進(jìn)行研究,試驗(yàn)過(guò)程中光伏板始終放置于山坡最前端。

圖3 光伏板風(fēng)壓平均系數(shù)Fig. 3 Average wind pressure coefficient of photovoltaic panels

不同坡度時(shí),光伏板背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)等值線圖如圖4所示。為方便討論,將板面以中軸為界分成上半?yún)^(qū)與下半?yún)^(qū)進(jìn)行討論。由圖4可知,同坡度下,隨著光伏板傾角增加,光伏板背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)坡度為0°時(shí),上半?yún)^(qū)風(fēng)壓停滯區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)由10°傾角時(shí)的-0.38降低至40°傾角時(shí)的-0.43,下半?yún)^(qū)風(fēng)壓停滯區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)由10°時(shí)的-0.25降低至40°傾角時(shí)的-0.93,下半?yún)^(qū)變化幅度大于上半?yún)^(qū),最終導(dǎo)致上半?yún)^(qū)風(fēng)壓系數(shù)大于下半?yún)^(qū)風(fēng)壓系數(shù),其他坡度下,也出現(xiàn)相同變化趨勢(shì)。同傾角的光伏陣列,坡度越大,背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)逐漸增大,但上半?yún)^(qū)風(fēng)壓系數(shù)與下半?yún)^(qū)風(fēng)壓系數(shù)的大小關(guān)系并未發(fā)生變化。

圖4 光伏板背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)等值線圖Fig. 4 Contour diagram of wind pressure coefficient on the leeward side of photovoltaic panels

平地光伏板中,由于來(lái)流風(fēng)在光伏板四周產(chǎn)生氣流分離,使得光伏板周圍的風(fēng)速更大、背風(fēng)面風(fēng)速較小,最終因壓力差在板背面產(chǎn)生旋渦,使得背風(fēng)面在多數(shù)情況下表現(xiàn)為負(fù)壓。與平地不同,由于山坡地形為斜面,來(lái)流風(fēng)在接觸山坡后會(huì)在山坡表面產(chǎn)生繞流。光伏板結(jié)構(gòu)高度較小,其最高點(diǎn)離地高度普遍在2 m以下,這導(dǎo)致山坡上的繞流很容易對(duì)光伏板的背風(fēng)面產(chǎn)生影響,使得背風(fēng)面風(fēng)壓表現(xiàn)為正壓。

背風(fēng)面出現(xiàn)正壓工況分別為10°坡度、10°傾角時(shí)的下半?yún)^(qū),20°坡度時(shí)的10°傾角與20°傾角、30°坡度時(shí)所有傾角下的整個(gè)背風(fēng)面。由此可見(jiàn),山坡坡度越大,繞流對(duì)背風(fēng)面的影響越大,當(dāng)坡度到達(dá)一定角度時(shí),繞流對(duì)光伏板背風(fēng)面的影響范圍會(huì)逐漸由下半?yún)^(qū)擴(kuò)張至整個(gè)板面。低傾角工況時(shí),背風(fēng)面因山坡上繞流使得下半?yún)^(qū)表現(xiàn)為正壓,但漩渦對(duì)背風(fēng)面的影響并未消失,當(dāng)傾角增大時(shí),下半?yún)^(qū)風(fēng)壓的減少幅度大于上半?yún)^(qū),最終導(dǎo)致30°坡度40°傾角的工況下,上半?yún)^(qū)為正壓,下半?yún)^(qū)為負(fù)壓。

試驗(yàn)表明,光伏板背風(fēng)面會(huì)因山坡上繞流的影響而表現(xiàn)為正壓。同坡度下,傾角越小,繞流對(duì)背風(fēng)面的影響越大。同傾角下,坡度越大,繞流對(duì)背風(fēng)面的影響越大。

2.2 光伏陣列

由于測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置,兩列光伏板的風(fēng)壓分布情況與變化規(guī)律基本對(duì)稱且一致,因此為便于討論,選擇右列光伏板進(jìn)行對(duì)比分析。將右列板第1、2、3排板分別編為A、B、C,如圖5所示。

圖5 編號(hào)示例Fig. 5 Numbering example

圖6 光伏陣列凈風(fēng)壓平均系數(shù)Fig. 6 Average coefficient of net wind pressure of PV array

圖7 光伏陣列迎風(fēng)面風(fēng)壓平均系數(shù)Fig. 7 Average wind pressure coefficient on the windward side of the PV array

圖8 光伏陣列背面風(fēng)壓平均系數(shù)Fig. 8 Average wind pressure coefficient at the back of photovoltaic array

為直觀地反應(yīng)后排光伏板風(fēng)荷載與第一排光伏板風(fēng)荷載的大小關(guān)系,表2給出了各個(gè)工況下B、C兩板的折減系數(shù),折減系數(shù)按式(6)計(jì)算:

表2 折減系數(shù)Table 2 Reduction coefficients

(6)

3 結(jié)論

本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn),對(duì)山坡地形下光伏板與光伏陣列模型進(jìn)行了風(fēng)荷載分析,得出以下結(jié)論:

1)由于山坡上繞流的影響,光伏板背風(fēng)面會(huì)表現(xiàn)為正壓,并且隨著坡度增加,繞流對(duì)背風(fēng)面的影響會(huì)逐漸由下半?yún)^(qū)擴(kuò)張至整個(gè)板面。相比于上半?yún)^(qū),傾角增加對(duì)下半?yún)^(qū)的影響更大,導(dǎo)致傾角較大的工況下,背風(fēng)面上半?yún)^(qū)為正壓,下半?yún)^(qū)為負(fù)壓。

2)山坡坡度的增加使得光伏陣列中后排光伏板的凈風(fēng)壓接近第一排光伏板,甚至在30°坡度、10°傾角的工況下第二、三排光伏板風(fēng)荷載約為第一排光伏板風(fēng)荷載的2.5倍,此時(shí)各板的風(fēng)荷載方向與平地下的光伏陣列相反。

3)山坡地形使得光伏陣列的遮擋效應(yīng)減弱,導(dǎo)致第二、三排光伏板所受來(lái)流風(fēng)風(fēng)速增加,迎風(fēng)面風(fēng)壓增大,但山坡上繞流對(duì)背風(fēng)面的影響更大,導(dǎo)致各位置光伏板凈風(fēng)壓均小于平地光伏陣列,在設(shè)計(jì)支架強(qiáng)度時(shí)可適當(dāng)降低支架強(qiáng)度要求。