光伏电池板风荷载数值模拟计算

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 何惧 朱锐 王建勃

一 前言

光伏电站支架结构设计时的假想荷载，主要包括持久作用的固定荷载和自然界外力的风压荷载、积雪荷载及地震荷载等。电池板阵列的损坏多数在强风中发生，计算太阳电池板阵列支架结构时，最大的荷载一般是风压荷载。

本文基于Fluent6.3计算平台，对一种常见的电池板进行数值模拟计算，分析电池板在38m/s风速条件下，不同风向角条件下的受力情况，模拟计算结果将对支架的选型设计提供依据。

二 计算模型

FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、耦合求解器，基于密度的隐式求解器、显式求解器，多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的各种复杂流场。

FLUENT软件包含非常丰富、经过工程确认的物理模型，可以模拟高超音速流场、转捩、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问题。

在本文计算中，电池板风向角为a(如水平顺风方向，则风向角a为90¡)，电池板倾角为b。取a=30¡、45¡、60¡、90¡，b=45¡，进行电池板风荷载数值模拟计算。风向角a、电池板倾角b如图1、2所示。

几何模型：电池板尺寸1.58m×0.8m×0.05m，离地高度1m，电池板中心离入口3m。流场截面满足阻塞比小于3%的数值计算要求。

计算模型：k-e RNG模型。钝体低速绕流，此模型较为合适，使用基于压力的隐式求解器。计算流场见图3。为了得到较好的计算结果，电池板边界层网格加密，流场尾流区网格加密，见图4。

计算风速：38m/s。

本文计算中，为了模拟计算具有普适性，引入了风向角的概念。对于数值模拟计算的结果，需要变换为电池板坐标系，见图5。在电池板坐标系下，便于分析电池板受力。

表1 流场坐标系下模拟计算结果

坐标转换公式

表2 电池板坐标系下模拟计算结果

三 结果分析

1 电池板受力主要是垂直于电池板面的正压荷载。相同风速条件下，电池板3个方向受力大小由3个方向上的受风面积决定。电池板面所受正压荷载最大，基本可忽略平行于电池板的风荷载。

2 相同风速条件下，逆风时电池板风荷载明显比顺风时大。在支架设计时，主要考虑电池板在逆风条件下的风荷载。

3 风向角a的影响。根据计算结果，电池板正面受风(即风向角为90¡)所受风荷载最大；风向角为30¡时，电池板正压荷载是风向角90¡时的70%左右。

4 电池板侧面电池板侧向荷载较小，为脉动冲击荷载。经过模拟计算，风向角分别为30¡、45¡、60¡，单块电池板侧向荷载小于正压荷载的10%。

5 由于地面自保持性、模型计算结果收敛不完全等原因，数值模拟结果比实际值偏大。实际过程中荷载有一定的脉动性，破坏力比稳定荷载大，要考虑支架的振动稳定性。

6 电池板阵列中，电池板间距对荷载影响很小。数值计算的结果表明：4块电池板以田字形分布，间隙为50mm时的正压风荷载为电池板间没有间隙时的95%左右。

7 在电站实际应用中，电站的支架系统对空间气流有扰动，将减小电池板面所受风荷载。

8 风向角较小情况下，支架将增大组件的侧向风荷载。在简化模型中，只计算电池板的受力，而在风向角较小情况下，支架迎风面积相对比重增大，电池板组件侧向受力将增大。

四 结 语

本文针对一种光伏电站常用电池板，在45¡倾角、不同风向角的工况下进行大量风荷载数值模拟计算，所得结果有助于光伏电站结构设计人员了解电池板所受风荷载，对光伏电站支架结构强度设计提供设计参考依据。

[1]太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社, 2006, 13－72.

[2]韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2008, 14－150.

[3]张庆祝, 刘志璋, 齐晓慧,等. 太阳能光伏板风载的载荷分析[J].能源技术. 2010(02).

[4]韩斐, 潘玉良, 苏忠贤. 固定式太阳能光伏板最佳倾角设计方法研究[J]. 工程设计学报. 2009(05).