基于数值风洞的光伏支架阵列风载荷分布

乔学 谷帅 罗晓群

摘要：用计算流体力学方法分析光伏支架阵列风场，研究各倾角和风向角情况下支架阵列中风载荷的分布，提出支架阵列的区域划分和风载荷体型系数取值建议。研究成果对光伏支架阵列结构设计和工程建设具有较好的应用价值。该方法有利于节省材料，降低光伏发电的成本。

关键词：光伏支架阵列；数值风洞；风载荷；体型系数

中图分类号：TU398.1

文献标志码：B

0 引 言

光伏支架结构较轻，风载荷对其影响较大。现行国家标准《光伏发电站设计规范》（GB 50797—2012）规定地面和楼顶支架风载荷的体型系数取1.3。[1]现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）对单坡顶盖的风载荷体型系数根据风向、倾角和面板位置进行分区定义。[2]

《光伏发电站设计规范》取值简洁，便于利用，但是光伏阵列的支架总量大、形式统一，简化取值的经济性值得商榷：其一，载荷规范在不同倾角下应取不同的体型系数；其二，由于邻近支架的遮挡，光伏阵列不同位置的支架单元体型系数应考虑折减。

一些学者通过风洞试验或者数值模拟的方式研究光伏支架上风载荷的取值。李晓娜[3]通过刚性模型测压风洞试验，分析倾斜角、离地高度、底部阻塞度和紊流情况对结构风载荷和电池板上面积的折减风压系数分布规律的影响；张庆祝[4]测量光伏板风载荷，通过与经验公式计算结果进行对比，验证理论计算的正确性，修正传统经验公式，发现光伏板风载荷的内在规律，并据此改进光伏支架中的部分构件；黄张裕等[5-6]建立数值风洞与太阳能跟踪器光伏面板的简化模型，模拟风载荷体型系数，并把所得到的结果与相应的规范和经验公式计算结果进行对比，针对光伏支架阵列分析特定风向角和特定倾角下的风载荷分布，得出固定式支架应采用分区设计的结论；韩晓乐[7]通过刚性模型测压风洞试验研究地面和屋顶光伏支架的风载荷分布，给出3行3列光伏板的风载荷取值建议。高亮等[8]以风洞试验为主，结合数值计算方法，研究光伏支架的倾角、高度、间距和阵列中的位置等对风载荷体型系数的影响规律，提出考虑各影响因素的风载荷计算公式。

本文进行风洞数值模拟，分析不同倾角下光伏阵列中各个位置光伏板上的风载荷体型系数分布，并给出设计建议。

1 模型设计

1.1 分析方法

风洞数值模拟技术的核心是计算流体力学，求解描述空间中流体流动情况的控制方程可获得流场的相关性质。本文采用k-ε湍流模型和雷诺平均法分析计算结构表面的平均风压，在ANSYS ICEM CFD中建模和划分网格，在FLUENT 14.0中进行分析计算。

1.2 模型概述

数值风洞模拟的光伏支架阵列包含10排光伏板，每块光伏板的尺寸为5 040 mm×3 300 mm，光伏板横向间距为1 m，纵向间距（中心距）为9 m。

为模拟区域内空气的流动特性，在靠近计算模型区域设置分布密集的小网格，在远离模型区域设置分布稀疏的较大网格。将计算域分为核心区和外流场2部分，其中核心区光伏阵列为128 m×128 m，外流场800 m×1 200 m×24 m，计算域总尺寸满足阻塞率<3%的要求。核心区内采用四面体网格离散单元；为计算结构表面压力大小，近壁区域沿光伏板表面方向划分5层网格，边界层最小网格尺寸为30 mm，按1.0︰1.2过渡，采用规则分布的六面体网格离散单元。

光伏板采用面单元模拟，并利用劈分网格技术分为上、下2个面，分别计算板上、下表面的风压。光伏板表面网格尺寸约为0.3 m。

计算模型和网格划分见图1，网格划分均匀。

1.3 数值风洞边界条件

现行国家标准《建筑结构荷载规范》将场地分

為A、B、C、D等4个地面粗糙度类别，采用指数型表达式确定平均风剖面。4类地面粗糙度类别的划分及其对应的梯度风高度ZG、地面粗糙度指数α和截断高度Zb见表1。

计算模型的来流面采用速度入口边界条件，根据上文公式确定来流风速，并采用UDF编程实现按规范规定的风剖面输入风速；出流面采用自由发展出流。计算域的顶面和两侧，采用对称边界条件模拟自由滑移的壁面条件；计算域的底面和建筑表面，采用固壁边界条件模拟无滑移的壁面条件。

1.4 参数设置

采用雷诺平均法计算结构表面平均风压，湍流模型采用可实现的k-ε模型，近壁面采用非平衡壁面函数。计算求解采用基于压力的稳态求解器，求解压力耦合方程采用半隐式算法（即SIMPLE算法），松弛因子均采用默认设置，使用入流面对流场进行初始化。计算步数设定为1 000步，控制方程迭代残差余量小于1×10-4，监测光伏板表面的平均风压值基本不发生变化。

光伏板倾角和光伏阵列风向角示意见图2。光伏支架的倾角由季节和纬度确定：低纬度和夏季所需倾角小，高纬度和冬季所需倾角大。结合我国的实际情况，计算取10°、20°、30°、40°、50°和60°共6个光伏板倾角。试算表明：180°、150°和120°这3种风向角下光伏板承受风吸力，分别与0°、30°和60°风向角对称；90°风向角时光伏板迎风面积为0，几乎不承受风载荷。因此，根据光伏板的对称性，计算0°、30°和60°共3种风向角下光伏板的风压力分布。

2 数值风洞模拟计算结果讨论

以10°和60°这2种倾角情况的3个风向角数值风洞结果为例，讨论光伏板风载荷分布（见图3）情况。

由图3可以看出，风向角30°和60°的工况主要影响光伏阵列迎风面两侧各3列光伏板。倾角较小（如10°）时，最大风载荷出现在30°风向角；倾角较大（如60°）时，最大风载荷出现在60°风向角。最外侧1列光伏板的风载荷最大，向内逐列减小；向内3列以上的光伏板风载荷的控制工况基本由0°风向角控制。

除两侧光伏板外，其他位置光伏板的最大风载荷均出现在0°风向角时，其分布规律表现为迎风面第1排光伏板的风载荷值最大，后排板的风载荷明显减小。

单块光伏板的风载荷分布均表现为迎风面边缘风载荷最大，沿风向方向逐渐减小。当倾角较大（如60°）时，第1排光伏板风载荷较大，后排板的风载荷接近0。

3 光伏支架阵列区域划分

通过数值风洞模拟，统计光伏支架阵列在6种倾角与3种风向角组合（共18种）下的风载荷分布，可以将整个阵列区域的光伏板风压分布分成3个区域，见图4。

不同风向角的风载荷规律如下：

（1）0°风向角（图3a））时，区域1风载荷最大，区域3次之，区域2风载荷最小。

（2）30°风向角（图3b））时，区域1和区域3风载荷较大，区域2风载荷最小。

（3）60°风向角（图3c））时，区域3风载荷最大，区域1次之，区域2风载荷最小。

（4）30°和60°风向角时，区域3的3列光伏板中，最外侧风载荷最大，向内逐渐减小。

（5）区域1和区域2的最不利风向角为0°。区域3的最不利风向角与倾角有关，倾角40°及以下时区域3最不利风向角为30°，倾角50°及以上时区域3最不利风向角为60°。

综合各种风向角下的风载荷分布，考虑到光伏支架阵列的对称性，建议初步划分区域见图5。将光伏支架阵列划分为3个区域：区域1为迎风向前、后两端各1排；区域3为阵列左、右两端各3列；其余为区域2。

4 各区域的风载荷体型系数取值

4.1 区域1风载荷体型系数取值

在0°风向角下，区域1光伏板的风载荷分布见图6：横坐标是该点在光伏板上宽度方向的位置，下端迎风边缘为0 m，上端背风边缘为3.3 m；纵坐标是该点的风载荷体型系数。

按照载荷规范中的形式，光伏板上、下半板的风载荷体型系数取不同值，由所在板块上各点的体型系数按该点距离板中线的距离加权平均确定，计算公式为

4.2 区域2风载荷体型系数取值

区域2光伏板的风载荷分布与倾角相关。倾角10°和20°时区域2光伏板的风载荷分布与区域1相近，渐变趋势与图6a）和图6b）相同。倾角10°时光伏支架阵列中板面风载荷与位置的关系见图7：横坐标是该点在阵列中的位置，取第1排光伏板的迎风边缘的横坐标为0；纵坐标是该点的风载荷体型系数。

在倾角30°及以上时，区域2光伏板的风载荷分布与区域1不同，上、下半板可取相同的体型系数，倾角30°时光伏支架阵列中板面风载荷与位置的关系见图8。

因在倾角10°和20°时，区域2光伏板的风载荷分布与区域1相近，故以区域1为基准，折减体型系数根据各倾角下的风载荷逐排分布（图9）的数据计算比值得出，见表3。

在倾角30°及以上情况下，区域2光伏板的体型系数根据图9取值，同时考虑不小于倾角10°和20°时的最小值0.2，得到的体型系数见表4。

4.3 区域3体型系数取值

在倾角10°～40°时，区域3光伏板的最大风载荷出现在30°风向角时；在倾角50°和60°时，区域3光伏板的最大风载荷出现在60°风向角时。区域3最外侧1列板风载荷最大，另外2列板风载荷较小，其体型系数取值应分别计算，见表5。

4.4 体型因数简化取值建议

按照光伏支架结构设计，将风载荷取值归并简化，从数值风洞模拟结果讨论体型系数优化取值的区域划分。

区域3端部1列光伏板的风载荷是光伏板阵列所有板中风载荷最大的，其余2列板的风载荷取值介于区域1与区域2之间，建议按区域1取值。

区域2的光伏板风载荷在倾角不同时分布规律不同。在倾角10°和20°时，2～5排风载荷呈渐变趋势，因此建议将2～3排并入区域1，将4～5排作为区域2，并取第4排的風载荷为区域2的风载荷；在倾角30°及以上时，2～4排风载荷小于5排以后的风载荷，可作为区域2。

最终的风载荷体积系数区域划分见图10，各区域风载荷体型系数简化取值见表6。由于风载荷按体积系数取值进行相应修正，为保证安全，风载荷体型系数最小值取0.4。

5 结束语

运用ANSYS ICEM CFD建立光伏支架阵列的模型并划分网格，导入FLUENT 14.0中对不同倾角和风向角下的光伏支架阵列进行计算流体力学数值风洞模拟分析。对比分析风载荷体型系数分布以及风载荷体型系数随位置变化规律，得到如下主要结论：

（1）光伏支架阵列中不同位置的支架单元承受的风载荷差别较大，因此建议将光伏阵列支架划分为3个区域，不同区域取不同的风载荷体型系数。

（2）《光伏发电站设计规范》和《建筑结构荷载规范》仅给出单个光伏支架单元风载荷体型系数的取值，但对于大型的光伏支架阵列来说，其中间区域的风载荷体型系数取值偏大，因此提出不同倾角下的区域划分方法和不同区域的风载荷体型系数。

（3）结合工程实际，对各区域的体型系数提出简化取值建议。

本文讨论的体型系数折减适用于光伏阵列场地较平整的情况，如滩涂、戈壁等。对于场地起伏较大的山地、丘陵等，阵列中央的支架单元不受遮挡或遮挡较少，建议不折减。

致谢：本项目工作获得国华能源投资有限公司科技创新项目“光伏方阵支架结构设计研究及应用”支持，特此致谢。

参考文献：

[1] 光伏发电站设计规范： GB 50797—2012[S].

[2] 建筑结构载荷规范： GB 50009—2012[S].

[3] 李晓娜. 太阳能光伏支架风载荷体型系数研究[D]. 石家庄： 石家庄铁道大学， 2015.

[4] 张庆祝. 太阳能光伏组件风载负荷计算及支架结构的研究[D]. 呼和浩特： 内蒙古工业大学， 2010.

[5] 黄张裕， 左春阳. 太阳能跟踪器光伏面板风荷载体型系数的数值模拟研究[J]. 特种结构， 2014， 31（4）：101-107.

[6] 黄张裕， 阎虹旭. 太阳能光伏板风荷载体型系数群体遮挡效应数值模拟研究[J]. 特种结构， 2015， 32（3）：18-22.

[7] 韩晓乐. 太阳能光伏阵列风载荷取值研究[D]. 石家庄： 石家庄铁道大学， 2016.

[8] 高亮， 窦珍珍， 白桦， 等. 光伏组件风载荷影响因素分析[J]. 太阳能学报， 2016， 37（8）： 1931-1937.

（编辑 武晓英）