含沙量對地面光伏陣列的氣動載荷研究

李超群，來永斌，王 龍

（安徽理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

光伏發(fā)電是目前太陽能利用最成熟，裝機(jī)范圍最廣的綠色能源技術(shù)，大部分集中式光伏電站都安裝在太陽能資源豐富的西北地區(qū)，然而這些地區(qū)風(fēng)沙活動頻繁，光伏陣列的承載結(jié)構(gòu)與板面不僅需要抵抗風(fēng)力作用，還要考慮板面沙粒堆積和大氣中沙粒運(yùn)動產(chǎn)生的沖擊力導(dǎo)致板面磨損破壞，影響光伏陣列的正常運(yùn)行。風(fēng)沙流在流經(jīng)光伏陣列時(shí)，會降低空氣的攜沙能力，導(dǎo)致沙粒堆積在陣列周圍，進(jìn)而嚴(yán)重影響光伏組件的性能。光伏陣列的防風(fēng)沙能力是國內(nèi)外學(xué)者持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，而對風(fēng)沙環(huán)境中光伏陣列支架的承載能力研究卻比較少。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對純風(fēng)條件下光伏板所受風(fēng)載荷以及風(fēng)沙環(huán)境中建筑物的承載能力進(jìn)行大量研究，并取得了一定的進(jìn)展。Warsido 等[1]利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究陣列間距對地面光伏系統(tǒng)風(fēng)載荷的影響，結(jié)果表明，由于前排光伏板的遮擋效應(yīng)，陣列的壓力系數(shù)逐排減小，第二排呈現(xiàn)顯著減小趨勢，而縱向間距對壓力系數(shù)的影響較小。馬成成[2]通過剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)向角、傾角、安裝位置和風(fēng)場類型等參數(shù)對太陽能光伏板風(fēng)荷載特性的影響，結(jié)果表明光伏板的體型系數(shù)隨風(fēng)向角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。程建軍等[3]對蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)風(fēng)沙流進(jìn)行現(xiàn)場觀測，提出了風(fēng)沙流密度概念，認(rèn)為建筑物在風(fēng)沙流作用下的壓力由攜沙風(fēng)風(fēng)壓和沙顆粒對建筑物的沖擊壓兩部分組成。王建朝[4]運(yùn)用歐拉雙流體模型模擬了風(fēng)沙環(huán)境中大氣邊界層高層建筑的風(fēng)沙流場，并分別對凈風(fēng)場和的3 種沙粒體積分?jǐn)?shù)風(fēng)沙流場下的建筑表面壓力進(jìn)行數(shù)值分析，得出風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)壓隨沙粒相體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，迎風(fēng)面風(fēng)壓的增長速率高于背風(fēng)面。Jia 等[5]采用歐拉-歐拉雙流體模型，通過數(shù)值模擬的方法得出風(fēng)沙載荷與沙徑、含沙量有關(guān)，風(fēng)沙載荷對建筑的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純風(fēng)，在風(fēng)沙環(huán)境中，由于存在沙粒，橋迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)沙荷載最大值增加了一倍。以上研究成果主要為光伏板在純風(fēng)工況下所承受載荷的模擬研究和建筑物的風(fēng)沙載荷模擬研究，為光伏板和建筑物的承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝提供了積極的工程指導(dǎo)意義。然而，相關(guān)學(xué)者對風(fēng)沙環(huán)境中光伏板載荷的研究相對較少，目前的載荷研究不足以提高風(fēng)沙環(huán)境中光伏陣列的使用壽命。

綜上所述，隨著人們對災(zāi)害性環(huán)境的重視，風(fēng)沙兩相流條件下光伏陣列的沖擊載荷研究顯得尤為必要。風(fēng)沙兩相流是一種比較復(fù)雜的流體運(yùn)動，需要考慮沙粒與沙粒、空氣與沙粒之間的作用力。本文通過歐拉雙流體模型模擬風(fēng)沙兩相流流經(jīng)光伏陣列時(shí)周圍流場和光伏板上表面沙粒體積分?jǐn)?shù)與壓力分布情況，分析不同入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)對光伏陣列載荷變化的規(guī)律，為風(fēng)沙環(huán)境中光伏陣列的傾覆規(guī)律和防風(fēng)沙工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 幾何模型的建立

1.1 研究對象

本文以張掖地區(qū)中4×4 方陣排列的光伏陣列為研究對象，根據(jù)研究環(huán)境確定相應(yīng)的陣列與風(fēng)沙流參數(shù)。本研究所使用的光伏陣列部分簡化物理模型如圖1 所示，其中，每塊光伏板的尺寸均為2 174 mm×1 303 mm×35 mm。在純風(fēng)環(huán)境下最佳傾角的基礎(chǔ)上，為了確保光伏電池板既能防止沙粒堆積影響吸收太陽輻射能的效率，又能更好地接收入射角為30°的太陽能，光伏板的安裝傾角取25°。根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定[6]，陣列前后間距取5 m 能夠保證光伏板在日照時(shí)間內(nèi)不受前后左右遮擋效應(yīng)的影響。為了確保數(shù)值模擬結(jié)果不受流場域壁面的影響，計(jì)算域阻塞率不超過3%的要求，將計(jì)算域長度設(shè)置為185m，寬度為105 m，高度為30 m，迎風(fēng)入口處離第一排光伏板的間距為42.5 m。在近地面光伏發(fā)電站，光伏板下端離地面的距離一般大于0.2 m，所以設(shè)置光伏陣列下端與地面之間的間隙為0.5 m。風(fēng)沙流中沙粒運(yùn)動主要受重力與升力及拖曳力的影響，兩相流間的相關(guān)參數(shù)采用石龍等的《風(fēng)沙兩相流對鐵路路堤響應(yīng)規(guī)律的數(shù)值模擬研究》中的參數(shù)設(shè)置。本文分別選擇沙粒體積分?jǐn)?shù)分別為0.000 1，0.000 3，0.000 5 的3 種工況來進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1 光伏陣列部分簡化物理模型

1.2 邊界條件的設(shè)置與網(wǎng)格劃分

將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分成1 個(gè)包含光伏陣列的核心區(qū)域和17 個(gè)非核心區(qū)域，采用六面體與四面體相混合的混合網(wǎng)格方法進(jìn)行劃分網(wǎng)格，如圖2 所示。核心區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，非核心區(qū)域用六面體網(wǎng)格劃分，并且網(wǎng)格增長率選取1.1，這樣既能發(fā)揮了四面體網(wǎng)格對復(fù)雜邊界強(qiáng)適應(yīng)性的優(yōu)勢，又能在非核心區(qū)域提高計(jì)算效率。

圖2 有限元分析模型圖

研究采用基本風(fēng)壓來獲取參考高度處的入口風(fēng)速，本文研究給定條件為當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速，在惡劣極端的條件下進(jìn)行研究。如式（1）所示

式中：U0為基本風(fēng)速（m/s），ω0為基本風(fēng)壓（kN/m2）。GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定，基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10 m 高處統(tǒng)計(jì)所得的30 年一遇，10 min 平均最大風(fēng)速U0（m/s）為標(biāo)準(zhǔn)[7]。通過查閱，張掖地區(qū)50 年重現(xiàn)期，10 m 高度處、10 min平均的基本風(fēng)壓為ω0=0.50 kPa。即U0=28.3 m/s，本文設(shè)定沙粒速度同風(fēng)速。氣流流速小于50 m/s，可以忽略流體的可壓縮性，但要考慮重力g=9.81 m/s2的影響。設(shè)置模型左側(cè)為速度入口邊界，右側(cè)采用自由流動出口，地面與光伏陣列表面采用無滑移壁面條件，計(jì)算域的側(cè)面及頂面設(shè)定為對稱的邊界，等同于自由滑移壁面。速度入口采用對數(shù)率形式風(fēng)廓曲線公式進(jìn)行擬合，如圖3 所示，流體由空氣和沙粒組成，其中空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.781 954×10-5Pa·s，沙粒密度為2 600 kg/m3，黏度為0.047 Pa·s。本文模擬采用歐拉雙流體模型，并選取可實(shí)現(xiàn)k-ε 湍流模型，對流項(xiàng)和壓力項(xiàng)采用二階格式，體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)采用QUICK 格式，選取適當(dāng)?shù)乃沙谝蜃?，其余值采用默認(rèn)值，保證數(shù)值模擬結(jié)果精度高且易收斂。

圖3 邊界條件的設(shè)定

2 不同濃度對陣列各板上表面壓力的影響

圖4 給出了地面光伏陣列在不同含沙率的攜沙風(fēng)工況下的光伏板上表面壓力變化云圖。風(fēng)沙流從左側(cè)沖擊光伏陣列且風(fēng)向角為0°，將流場域中光伏按風(fēng)沙流向從左到右依次命名為板1、板2、板3 和板4。光伏陣列各列的板1 首先受到風(fēng)沙流的沖擊，則每種工況下的各列板1 所承受的風(fēng)沙壓力最大。從圖4 可知，光伏板上表面的壓力最大值均出現(xiàn)在光伏板的尾端，而且隨著光伏板y方向高度的增加，光伏板上表面的風(fēng)沙壓力呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。隨著入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大，光伏板上表面同一區(qū)域的風(fēng)沙壓力不斷增大。當(dāng)入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)為0.000 1、0.000 3、0.000 5時(shí)，光伏板上表面風(fēng)沙壓力最大值分別為344.2 Pa，458.7Pa，574.4 Pa，且最大值均出現(xiàn)在板1 上表面的尾端。

圖4 光伏板上表面的風(fēng)沙壓力變化

光伏板上表面的風(fēng)沙壓力變化分布情況不隨入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的改變發(fā)生顯著變化，并且風(fēng)沙壓力變化分布沿各板中線對稱分布。從各列板1 來看，光伏板上表面風(fēng)沙壓力從下到上逐漸均勻等值減??；從各列板2 來看，光伏板上表面壓力呈現(xiàn)雙T 型分布; 從各列板3、板4 來看，光伏板上表面壓力呈現(xiàn)T 型分布。而且隨著入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大，板2、板3、板4 的T 型分布現(xiàn)象越來越明顯。沿風(fēng)沙流速方向來看，板3、板4的風(fēng)沙壓力變化分布基本一致，但是板4 的兩端低壓區(qū)域比板3 有所擴(kuò)張，風(fēng)沙流呈現(xiàn)往光伏板中間區(qū)域擠壓趨勢且板4 擠壓劇烈，所以板4 上表面的壓力最大值比板3 要大，而且隨著入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大，板4上表面壓力增長的速率比板3 還大。

綜上所述，風(fēng)沙流首先沖擊光伏陣列各列的板1，板1 更容易受到風(fēng)沙的沖擊破壞，壓力最大，隨著入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大，光伏板上表面同一區(qū)域的風(fēng)沙壓力不斷增大。在設(shè)計(jì)風(fēng)沙環(huán)境下地面光伏陣列時(shí)，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)迎風(fēng)面第一塊光伏板的壓載結(jié)構(gòu)，可以考慮在板1 前設(shè)立防風(fēng)擋沙結(jié)構(gòu)，防止風(fēng)沙壓力過大導(dǎo)致光伏板受到?jīng)_蝕破壞，甚至發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

3 不同濃度對陣列各板傾覆力矩系數(shù)的影響

圖5 為不同入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)下光伏陣列第四列陣列各板的傾覆力矩分布圖，傾覆力矩越小則結(jié)構(gòu)越安全。從圖4 來看，板1 與板4 的傾覆力矩在不同沙粒體積分?jǐn)?shù)工況下都比板2、板3 要大，其中，板1 因?yàn)橹苯邮艿斤L(fēng)沙流的嚴(yán)重沖擊，所以傾覆力矩較大。風(fēng)沙流流到后排時(shí)，會使最后兩排光伏板受到沙粒堆積的影響，所以板3、板4 的傾覆力矩會較大。板3 的傾覆力矩總體略小于板4，但相差不大，兩者差值隨著沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。由圖4 可知，板4 的兩端低壓區(qū)域范圍大于板3 是影響傾覆力矩的主要原因，隨著入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大，板4 上表面壓力增長的速率比板3 還大，則兩者傾覆力矩之差也在增大。板2 是因?yàn)槭艿角芭殴夥宓恼趽踝饔?，? 對風(fēng)沙流的遮擋效果最好，風(fēng)沙流對板2 的沖擊較少，所以傾覆力矩較小。從圖5 看，板2 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但受板1 遮擋作用，板2 的傾覆力矩變化較小。板1、板3、板4 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，而且受遮擋效應(yīng)影響，板1 的傾覆力矩增大速率快于板3、板4。

圖5 陣列各板的傾覆力矩變化圖

所以，光伏板在風(fēng)沙環(huán)境中安裝時(shí)需要考慮板1與板4 的支撐結(jié)構(gòu)可靠性與抗壓強(qiáng)度以及材料要求，防止風(fēng)沙流的沖擊載荷過大導(dǎo)致光伏電站停用，從而提高光伏板在西北風(fēng)沙工況下的利用率，緩解西北地區(qū)電力短缺問題。

4 結(jié)論

本文通過對比不同入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)下地面光伏陣列的風(fēng)沙載荷進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1）隨著入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大，光伏板上表面同一區(qū)域的風(fēng)沙壓力不斷增大，而且風(fēng)沙壓力最大值均出現(xiàn)在板1 處，所以各列板1 的承載結(jié)構(gòu)需要著重考慮。光伏板上表面的風(fēng)沙壓力變化分布情況不隨入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的改變發(fā)生顯著變化。

2）板1、板3、板4 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，其中板1 的增長速率快于板4，板3 再次之。板2 的傾覆力矩隨入口處沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。