風(fēng)向角和傾角對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載的影響

摘要：該文通過(guò)數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究單豎排光伏陣列的風(fēng)荷載特性以及風(fēng)向角和傾角的影響。結(jié)果表明：光伏陣列在橫風(fēng)作用下，迎風(fēng)側(cè)光伏組件的風(fēng)荷載系數(shù)最大；光伏組件阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及扭矩系數(shù)均隨傾角的增大而增大，且在傾角小于20°時(shí)變化速率較大，大于20°之后體型系數(shù)趨于平緩；光伏陣列中，組件風(fēng)荷載系數(shù)的遮擋效應(yīng)十分明顯，迎風(fēng)側(cè)光伏組件降低了背風(fēng)側(cè)組件的來(lái)流風(fēng)速，使得位于下游區(qū)域的光伏組件所受風(fēng)荷載顯著減小，且傾角越大遮擋效應(yīng)越明顯。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；風(fēng)荷載；數(shù)值模擬；風(fēng)向角；傾角

中圖分類號(hào)：TN29文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著全球氣候變暖形勢(shì)加劇、化石能源枯竭跡象日益凸顯，太陽(yáng)能等新能源技術(shù)逐漸成為世界各國(guó)爭(zhēng)先發(fā)展的重點(diǎn)方向。光伏組件是轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的重要終端，是太陽(yáng)能新能源產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。

光伏組件風(fēng)荷載是影響光伏電站基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案和建設(shè)成本的重要控制因素。很多學(xué)者對(duì)光伏組件的風(fēng)荷載開(kāi)展了研究工作。Abiola-Ogedengbe等1通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量4種不同風(fēng)向條件下光伏組件上、下表面風(fēng)壓分布，發(fā)現(xiàn)在正風(fēng)作用下，光伏組件的風(fēng)壓沿中軸線對(duì)稱分布，而在其他風(fēng)向角下呈非對(duì)稱分布；Jubayer等2采用SST k-w模型對(duì)地面獨(dú)立安裝的光伏組件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析不同風(fēng)向角下組件的三分力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)組件的升力系數(shù)在下表面迎風(fēng)時(shí)最大，扭矩系數(shù)在斜風(fēng)向下最大，組件周圍的風(fēng)速及渦量場(chǎng)與表面風(fēng)壓分布存在相關(guān)關(guān)系；Shademan等3通過(guò)數(shù)值模擬研究安裝傾角為45°的光伏組件在不同風(fēng)向角下的三分力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)正風(fēng)作用下光伏組件風(fēng)荷載最大；姜濤等4模擬多排布置光伏陣列在不同風(fēng)向角下的風(fēng)荷載分布，發(fā)現(xiàn)正風(fēng)向角下陣列之間的遮擋效果最明顯，當(dāng)風(fēng)向角向橫風(fēng)向轉(zhuǎn)變時(shí)，遮擋效應(yīng)逐漸減弱，同時(shí)位于陣列外緣的光伏組件所受的風(fēng)荷載最大；Agarwal等5研究地面獨(dú)立安裝光伏組件的升力系數(shù)及阻力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)正風(fēng)向時(shí)結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載最大；Jubayer等[61研究大氣邊界層下地面安裝光伏陣列在不同風(fēng)向角下的受力特性，結(jié)果表明迎風(fēng)首排光伏組件始終承受著最大風(fēng)荷載，斜風(fēng)作用下光伏組件的扭矩系數(shù)最大。

為確保最優(yōu)發(fā)電效率，需以一定傾角安裝光伏組件7，且最優(yōu)傾角隨緯度而變化。因此，很多學(xué)者研究了安裝傾角對(duì)光伏組件風(fēng)荷載的影響。李曉娜8通過(guò)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，研究了光伏組件傾角對(duì)風(fēng)荷載的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)組件所受風(fēng)壓隨安裝傾角的增大而增大；當(dāng)傾角較小時(shí)，組件的中上位置承受最大風(fēng)壓；隨著傾角的增大，組件風(fēng)壓最不利位置逐漸下移，且傾角越大，風(fēng)壓變化越快。馬文勇等[9-101和柴曉兵[1開(kāi)展了系列剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，并總結(jié)出不同傾角下組件風(fēng)荷載的經(jīng)驗(yàn)公式，量化了各項(xiàng)參數(shù)對(duì)光伏組件風(fēng)荷載的影響效果，利于指導(dǎo)光伏電站結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。馬成成12通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾角小于25°時(shí)，光伏結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)對(duì)傾角的變化較為敏感，結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載隨傾角增大而顯著增大；當(dāng)傾角大于25°時(shí)，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)隨傾角的變化速率減慢。

綜上，盡管已有學(xué)者對(duì)不同風(fēng)向角和傾角條件下的光伏組件的風(fēng)荷載進(jìn)行了研究，但針對(duì)光伏陣列的風(fēng)荷載研究較少，而風(fēng)向角和傾角是影響光伏陣列風(fēng)荷載的重要因素。因此，本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究不同風(fēng)向角和安裝傾角下光伏陣列的風(fēng)荷載，探討風(fēng)向角和傾角對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載的影響規(guī)律。

1數(shù)值風(fēng)洞模型

1.1陣列模型及計(jì)算域尺寸

光伏組件主要由光伏玻璃、封裝材料、太陽(yáng)電池、底片/玻璃和邊框組成，其外形為典型平板結(jié)構(gòu)，圖1對(duì)單塊光伏組件參數(shù)進(jìn)行了定義。本文研究的光伏組件原型的長(zhǎng)寬厚尺寸分別為1942 mm（L）×1069 mm（W）×6 mm（t）。為保證模擬精度的同時(shí)降低計(jì)算量，選擇對(duì)縮尺比為1：2的幾何縮尺模型開(kāi)展數(shù)值模擬研究。由于縮尺后模型厚度尺寸過(guò)小，影響流場(chǎng)網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度，本次研究保持光伏組件模型的厚度與原型厚度一致，因此縮尺模型的尺寸為971.0 mm（L）×534.5 mm（W）×6.0 mm（t）。光伏陣列中，由于所有光伏組件的尺寸遠(yuǎn)大于支架和立柱結(jié)構(gòu)，在數(shù)值模擬時(shí)僅考慮光伏組件結(jié)構(gòu)，忽略光伏支架和立柱的影響。光伏組件面向太陽(yáng)光源時(shí)獲得最優(yōu)發(fā)電效率，因此不同緯度地區(qū)光伏組件具有不同最優(yōu)傾角，本次研究?jī)H考慮15°傾角。

光伏陣列模型按照7排5列布置，如圖2所示，由南向北不同排的光伏組件命名為R1～R7，為避免前后之間的相互遮擋，排與排之間的間距設(shè)置為1.94 m，由西向東不同列的光伏組件命名為C1～C5，組件與組件之間的間距設(shè)置為0.1m。風(fēng)向角定義為：南風(fēng)為0°（光伏組件上表面迎風(fēng)，命名為正風(fēng)）逆時(shí)針?lè)较蛟黾?，東風(fēng)為90°（命名為順風(fēng)），北風(fēng)為180°（光伏組件下表面迎風(fēng)，命名為反風(fēng)）。

為保證流場(chǎng)充分發(fā)展且滿足數(shù)值模擬流場(chǎng)阻塞率小于3%的要求，整個(gè)計(jì)算域的尺寸設(shè)置如圖3所示：來(lái)流入口與首排光伏組件之間的距離設(shè)置為10倍光伏組件長(zhǎng)度（10L），最后排光伏組件距流場(chǎng)出口位置為20L，高度方向設(shè)置為上下各10倍光伏組件投影高度（10H），寬度設(shè)置為18倍光伏組件寬度（18W）。此時(shí)模擬風(fēng)場(chǎng)的阻塞率為1.3%。

1.2網(wǎng)格劃分及求解條件設(shè)置

在流場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程中，計(jì)算網(wǎng)格的劃分方法和質(zhì)量對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有決定性影響。本文采用ICEM軟件對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，考慮到研究對(duì)象模型較為規(guī)整，為減少網(wǎng)格量、節(jié)約計(jì)算資源，選擇在遠(yuǎn)離光伏陣列的區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，在光伏陣列附近區(qū)域采用加密網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為1.2 mm，并在光伏組件表面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格生長(zhǎng)率為1.2。整個(gè)計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量約為320萬(wàn)。

對(duì)計(jì)算域的邊界條件設(shè)置如下：入口設(shè)為10 m/s的速度入口（velocity-inlet），出口設(shè)置為自由出流（outflow），出口壓力設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，考慮到流體與光伏組件及壁面之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將光伏組件以及計(jì)算域底面設(shè)置為無(wú)滑移壁面（wall），計(jì)算域側(cè)面及頂面設(shè)置為對(duì)稱邊界（symmetry），以最大程度實(shí)現(xiàn)數(shù)值流場(chǎng)的模擬。

湍流模型選擇SST k-w模型，選用分離隱式求解器，采用SIMPLEC算法，離散方程為二階迎風(fēng)格式，迭代殘差設(shè)置為10-？。

1.3組件風(fēng)荷載參數(shù)定義

隨著大跨度柔性支架光伏電站不斷建成并投入運(yùn)營(yíng)，光伏陣列的細(xì)長(zhǎng)特性愈發(fā)明顯，為更好地表征光伏組件所受風(fēng)荷載，本文采用無(wú)量綱的靜力三分力系數(shù)（阻力系數(shù)Cp，升力系數(shù)C和扭矩系數(shù)CM）及體型系數(shù)來(lái)表示光伏結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載情況，如式（1）～式（4）所示。靜力三分力系數(shù)定義如圖4所示。

式中：C、Cp、Cm——升力系數(shù)、阻力系數(shù)、扭矩系數(shù)；C，——體型系數(shù)；F、Fp、M——光伏組件所受升力（N）、阻力（N）、扭矩（Nm）;p為空氣密度，kg/m3;V——來(lái)流速度，m/s;A——垂直力方向的投影面積，m2;p——光伏組件所受平均風(fēng)壓，Pa;po——參考風(fēng)壓，Pa。

2結(jié)果分析

2.1風(fēng)向角對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載的影響

來(lái)流風(fēng)向角改變光伏組件的迎風(fēng)形態(tài)，是影響光伏組件風(fēng)荷載的主要因素之一。既有研究結(jié)果表明光伏組件在不同風(fēng)向角下呈現(xiàn)不同氣動(dòng)力特性。本文以傾角15°單數(shù)排光伏組件陣列為基本工況，通過(guò)數(shù)值模擬研究風(fēng)向角對(duì)不同位置光伏氣動(dòng)力系數(shù)的影響規(guī)律。考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，風(fēng)向角變化范圍設(shè)置為0°～180°，工況間隔為15°。根據(jù)既有研究成果，光伏陣列中最危險(xiǎn)的位置位于陣列邊緣，因此僅選擇如圖5所示的6塊邊緣位置的光伏組件作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，揭示組件風(fēng)荷載系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。

圖6為不同位置的光伏組件三分力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化情況。圖6顯示，單豎排光伏組件的三分力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化可分為3個(gè)節(jié)段（以迎風(fēng)側(cè)R1C3為例）：當(dāng)風(fēng)向角小于30°～45°時(shí)，三分力系數(shù)隨風(fēng)向角緩慢減小；當(dāng)風(fēng)向角介于45°～75°時(shí)，三分力系數(shù)隨風(fēng)向角迅速減??；風(fēng)向角大于75°后，三分力系數(shù)再次緩慢減小且取值接近于0。例如，R1C3組件在風(fēng)向角為0°時(shí)，阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別為0.132、-0.481和0.138;風(fēng)向角為30°時(shí)，阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)緩慢下降為0.125、-0.376和0.126;當(dāng)風(fēng)向角為75°時(shí)，阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)迅速下降為接近0;當(dāng)風(fēng)向角進(jìn)一步增大到180°時(shí)，阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)迅速下降為0.024、0.080和0。風(fēng)向角介于90°～180°，R1C3由迎風(fēng)側(cè)組件變?yōu)楸筹L(fēng)側(cè)組件；R7C3由背風(fēng)側(cè)組件逐漸變?yōu)橛L(fēng)側(cè)組件，呈現(xiàn)了完全一致的對(duì)稱性變化趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，迎風(fēng)側(cè)組件風(fēng)荷載系數(shù)存在2個(gè)明顯的風(fēng)向角轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別為30°～45°和60°～75°之間。風(fēng)向角介于第1和第2轉(zhuǎn)折點(diǎn)區(qū)間范圍時(shí)，組件三分力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化最敏感。同時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的光伏組件的三分力系數(shù)明顯高于背風(fēng)側(cè)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的遮擋效應(yīng)顯著，而且遮擋效應(yīng)的存在使得背風(fēng)側(cè)光伏組件的三分力系數(shù)對(duì)風(fēng)向角并不敏感。

圖7為光伏組件體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化情況。結(jié)果顯示，在0°和180°風(fēng)向角下，迎風(fēng)側(cè)首排光伏組件的整體體型系數(shù)最大，為0.5，說(shuō)明此時(shí)結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載值最大；當(dāng)風(fēng)向角介于30°～75°時(shí)，首排光伏組件體型系數(shù)迅速減小。當(dāng)風(fēng)向角介于90°～180°范圍時(shí)，迎風(fēng)側(cè)光伏組件（R1C1～R1C5）變?yōu)楸筹L(fēng)側(cè)，體型系數(shù)十分接近于0;背風(fēng)側(cè)光伏組件（R7C1～R7C5）逐漸變?yōu)橛L(fēng)側(cè)，體型系數(shù)逐漸增大至0.5。迎風(fēng)側(cè)光伏組件的體型系數(shù)始終大于背風(fēng)側(cè)，證實(shí)了縱向陣列中存在明顯遮擋效應(yīng)：位于迎風(fēng)端的光伏組件會(huì)承受更大的風(fēng)荷載，而尾流區(qū)的光伏組件風(fēng)荷載明顯減小。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)驗(yàn)算0°和180°風(fēng)向角下，陣列外圍區(qū)域的光伏組件的風(fēng)荷載情況，而位于陣列內(nèi)部區(qū)域的光伏組件，風(fēng)荷載系數(shù)可適當(dāng)折減。

2.2傾角對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載的影響

光伏組件的安裝傾角隨緯度位置而變化，不同安裝傾角下光伏組件具有不同風(fēng)荷載特性。為研究安裝傾角對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載系數(shù)的影響，對(duì)安裝傾角范圍為10°～30°（工況間隔5°）的光伏陣列進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)第1排（R1）和第3列（C3）光伏組件的風(fēng)荷載系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示安裝傾角對(duì)橫向和縱向陣列的光伏組件風(fēng)荷載的影響規(guī)律，監(jiān)測(cè)組件位置如圖8。

圖9和圖10分別為第1排和第3列光伏組件的三分力系數(shù)。圖9顯示，當(dāng)傾角小于20°時(shí)，隨著傾角的增大，光伏組件的三分力系數(shù)線性增加，且橫向陣列中間位置（R1C3）處的三分力系數(shù)最大，兩側(cè)光伏組件阻力系數(shù)呈對(duì)稱性分布趨勢(shì)，且往外側(cè)逐漸減小，遞減速率逐漸增大。當(dāng)傾角大于20°以后，阻力系數(shù)隨傾角的增大持續(xù)增大，而升力系數(shù)及扭矩系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)。整體來(lái)看，隨著傾角的增大，光伏組件三分力系數(shù)整體呈增大趨勢(shì)；傾角較小的情況下，光伏組件的三分力系數(shù)對(duì)傾角變化較為敏感；橫向陣列之間的三分力系數(shù)較為接近，隨傾角的變化呈相同的變化規(guī)律。因此，在光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，傾角是影響組件風(fēng)荷載的重要因素，橫向陣列對(duì)光伏組件風(fēng)荷載的影響很小，可忽略不計(jì)。

圖10為不同傾角下不同縱向陣列位置處光伏組件的風(fēng)荷載系數(shù)。結(jié)果顯示，迎風(fēng)側(cè)首排光伏組件的阻力系數(shù)和升力系數(shù)明顯高于其他排，且隨傾角的增大迅速增大；但處于尾流區(qū)的第2～7排的光伏組件由于前排的遮擋，阻力系數(shù)和升力系數(shù)均值十分接近，且隨傾角近似線性增大，但增大的速率低于首排。對(duì)于扭矩系數(shù)均值而言，前3排光伏組件的傾覆力矩系數(shù)隨傾角變化不明顯，第4～7排的光伏組件扭矩系數(shù)隨著傾角的增大而顯著增大。

組件體型系數(shù)隨傾角變化情況如圖11所示。由圖11a可知，當(dāng)傾角小于20°，橫向陣列不同位置處光伏組件體型系數(shù)隨著傾角的增大而增大，且增大的速率基本相同，這是由于隨傾角的增大，光伏組件的受力面積不斷增大，導(dǎo)致光伏組件所受風(fēng)荷載變大；當(dāng)傾角大于20°后，體型系數(shù)隨傾角的變化較小。圖11b顯示，縱向陣列中第1排光伏組件的體型系數(shù)隨傾角增大顯著增大，傾角從10°變?yōu)?5°時(shí)，體型系數(shù)從0.15增大到0.50，而在傾角從15°增加到30°的過(guò)程中，體型系數(shù)增長(zhǎng)速率降低，從0.50增大至0.70。對(duì)于尾流區(qū)的光伏組件而言，其體型系數(shù)隨傾角增大略有增大，但整體的體型系數(shù)均較小，即縱向陣列下游區(qū)域內(nèi)光伏組件的風(fēng)荷載始終較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了縱向光伏陣列中的遮擋效應(yīng)。

為更直觀地理解傾角對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響，圖12展示了不同傾角下流場(chǎng)的平均流速及平均流線圖。結(jié)果顯示，傾角較小時(shí)，來(lái)流在首排光伏組件處可順板面流動(dòng)，在首排光伏組件的邊緣處不會(huì)形成較強(qiáng)的旋渦，處于上游的首排光伏組件對(duì)處于下游區(qū)域的其他排光伏組件的自由來(lái)流影響較小，因此對(duì)尾流中的其他光伏組件的風(fēng)荷載影響較小。隨著傾角的增大，處于上游的首排光伏組件對(duì)氣流的阻礙作用逐漸增強(qiáng)，特別是當(dāng)傾角大于20°后，來(lái)流在光伏組件的下表面逐漸產(chǎn)生較大的旋渦，在下表面處形成負(fù)壓區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致隨著傾角的增大，光伏組件的體型系數(shù)不斷增大，同時(shí)顯著降低下游光伏組件的來(lái)流風(fēng)速，導(dǎo)致下游光伏組件的風(fēng)荷載系數(shù)顯著降低，呈現(xiàn)十分明顯的遮擋效應(yīng)。

3結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究風(fēng)向角和安裝傾角對(duì)光伏陣列風(fēng)荷載的影響。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，主要得到以下結(jié)論：

1）光伏陣列在正風(fēng)向作用下，組件的體型系數(shù)最大；在斜風(fēng)作用下，由于實(shí)際受風(fēng)面積減小，同等風(fēng)速條件下，光伏組件的體型系數(shù)較小。

2）隨著安裝傾角的增大，光伏組件阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及扭矩系數(shù)逐漸增大；在傾角小于20°的情況下，光伏組件的體型系數(shù)隨傾角的變化速率較大，傾角大于20°之后體型系數(shù)隨傾角的變化趨于平緩。

3）光伏陣列中，組件風(fēng)荷載系數(shù)的遮擋效應(yīng)十分明顯；上游光伏組件降低了下游光伏組件的來(lái)流風(fēng)速，使得位于下游區(qū)域的光伏組件所受風(fēng)荷載顯著減小，且傾角越大，遮擋效應(yīng)越強(qiáng)。

4）光伏電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮遮擋效應(yīng)的作用，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)光伏陣列的風(fēng)荷載進(jìn)行分區(qū)域取值，在保障結(jié)構(gòu)安全性的前提條件下，降低支架結(jié)構(gòu)建造成本、提高經(jīng)濟(jì)性。

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INFLUENCE OF WIND DIRECTION AND INCLINATION ANGLE ONWIND LOAD OF PHOTOVOLTAIC ARRAYS

Quan Yong1，Wu Jian'gao1，Chen Yan1，Wang Xinming2，Jing Haiquan3

（1.China Machinery International Engineering Design amp;Research Institute Co.，Ltd.，Changsha 410075，China;

2.Hangzhou Bureau of Planning and Natural Resources ，Hangzhou 311100，China;

3.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China）

Abstract：In this paper，the wind load characteristics of single vertical row photovoltaic arrays and the influence of wind direction andinclination angle are systematically studied using numerical method.The results show that under the crosswind，the wind loadcoeffcient of the photovoltaic modules on the windward side is the largest.The drag coefficient，liftcofficient and overturning momentcoeffcient of the photovoltaic modules increase when the inclination angle becomes larger.Thesecoficients rapidly change when theinclination angle is less than 20°，and then turn to be constant after the inclination angle is above 20°.The shielding effect is veryobvious for the PV arrays.The windward photovoltaic modules reduce the incoming wind speed of the leeward side modules，therefore，the wind load on the photovoltaic module located in the downstream area is obviously lower than those in windward.Inaddition，theshielding effect is more obvious when the inclination angle is larger.

Keywords：photovoltaicsystem;gustloads;computationalaerodynamics;winddirection;inclination angle