太阳能光伏板阵列风压特性数值模拟研究

房彦山，张国飞，唐雯静

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

太阳能光伏电站一般地处荒漠戈壁，地形空旷之地，风荷载在太阳能光伏组件单元的支架及基础设计中将起到控制性作用，而在这些空旷之地风荷载的取值和构架风荷载体型系数的选取直接影响到支架及基础的安全性和经济性。

国内地面光伏支架设计过程中，关于风荷载结构体型系数的取值，我国《建筑结构荷载规范》和《光伏发电站设计规范》均有规定：《建筑结构荷载规范》，第29项的规定，当倾角小于10°时，结构体型系数按±1.3和±0.5，整体体型系数为±0.9计算；当倾角等于30°时，结构体型系数按±1.4和±0.6，整体体型系数为±1.0计算，中间值采用插值法。《光伏发电站设计规范》中第6.8.7条规定，地面和楼顶支架风荷载的体型系数取1.3。日本的《太阳能光伏发电系统的设计与施工》丛书中，体型系数按(正压)0.65+0.009θ、(负压)0.71+0.016θ计算，其中θ(15°≤θ≤45°)为倾斜角度。光伏电站是由多排多列光伏组件支架单元组成的方阵，因此光伏组件支架单元所处的位置不同会导致风荷载系数的不同。规范上的风荷载结构体型系数可以作为单个光伏支架结构承受风荷载作用时参考。而对于整个光伏电站支架结构这一类的结构群，并未对风荷载系数区间进行划分。本文对太阳能光伏板阵列进行了区域划分，并提出了不同区域板的体型系数的折减系数，为实际工程设计计算提供参考。

1 计算模型

1.1 计算模型

模型中单串电池组件长20 m，宽3.3 m，电池组件的倾斜角度取35°，前后排支架间净距取13 m(根据新疆高纬度地区实际工程，且前后间距越小遮挡效果越明显，为包罗大多数情况，故取13 m)，面板最低边缘离地面0.3 m，过道宽1.5 m，两列面板间距150 mm(建模时简化)，方阵布置形式见图1，采用10排、10列的方阵。

1.2 计算域

对光伏板方阵计算域设置为1000 m×600 m×55 m，其阻塞率为0.6%，光伏板方阵置于1/3长度处，满足要求。将此计算域划分为3个部分，电池板方阵为最内部分为子域1；方阵外侧采用内域为直径360 m的圆柱为子域2；剩余外部为子域3，以便网格扫掠划分。在划分网格时，子域2采用适用性较强的四面体网格，子域1、子域3采用收敛性较高的结构化六面体不均匀网格。整个流域的网格数量为1400万左右。

图1 光伏板阵列和风向角示意图

1.3 边界条件

Fluent软件中，来流边界采用速度入口边界条件，风速为37 m/s。计算域侧面和顶面采用对称边界条件。出流面采用压力出口边界条件。地面粗糙度为B类，采用无滑移光滑壁面。面板采用无滑移的粗糙壁面。

计算模型采用RNG k-e模型。流场动量、湍流动能、湍流耗散率的离散格式均采用二级迎风格式，压力－速度耦合放的解法采用SIMPLEC算法。

1.4 计算工况

数值模拟电池板方阵时，固定倾角为35°，进行风向角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、105°、120°、135°、150°、165°、180°十二种工况下的数值模拟研究。其中0°～90°为正压，90°～180°为负压。

2 数值模拟结果及分析

2.1 风荷载结构体型系数

通过CFD模拟测量模型上的各点的压力系数，结构表面的风压大小及分布。

式中：Pfi为结构表面测量点静压；P∞为参考点静压；v0为来流风速；ρ为空气密度。

对压力系数进行加权平均计算，得到结构体型系数：

式中：Ai为压力系数测点所在表面的表面积；Ai(Z)为i表面表面积；μsi(Z)为某表面i的风载结构体型系数。

2.2 各风向角下光伏板的体型系数

本文对风向角在0°～180°之间，以15°为增量的光伏板做了数值风洞试验。由于篇幅有限，图2～图8只给出风向角为0°、30°、60°、75°、120°、150°、180°七种典型工况下光伏板阵列的体型系数图。

由图2可知，当风向角为0°时，迎风向第1行的风荷载体型系数最大(0.93)，第2行光伏板受第1行光伏板尾流较大，出现回流现象，体型系数较小。由于第1行光伏板的阻挡和保护，第2行到第10行的光伏板表面风荷载体型系数远小于第1行，第2行小于其他行且局部板出现负值。方阵边缘光伏板风荷载体型系数较中间板大。方阵中间区域电池板体型系数数值很小为0.13，且基本相等。

由图3可知，当风向角为30°时，第1行和第1列板风荷载体型系数大于其他板，在走道处发生了流动分离，导致第1排风荷载体型系数并不相等，左侧大于右侧。第1行第1列体型系数为1.1，较0°时大；第1行体型系数平均值较0°时的小；第1列体形系数平均值较0°时大，说明第1列板的阻挡作用增强。沿风方向，体型系数逐步减小趋势。

由图4可知，当风向角为60°时，体型系数的变化趋势同30°，第1列体型系数平均值为0.86，明显大于第1行0.52。其余板体型系数平均值为0.1。沿风方向，体型系数逐步减小趋势。

由图5可知，当风向角为75°时，由于风向与板的角度变小，体型系数较60°小很多。其中第1列面板(0.24)较其他板(0.04)大。

由图6可知，当风向角为120°时，光伏板背部为迎风面，处于风向上游位置的光伏板(第1列和第10行)受风力作用最强烈，体型系数最大。方阵边缘位置处迎风向第1列光伏板体型系数平均值(0.82)较第10行(0.45)大。第2列(0.3)和第4列(0.25)较后面列稍大。后面列体型系数平均值为(0.08)，非常小。

由图7可知，当风向角为150°时，第10行体型系数平均值(1.3)比120°时(0.45)大很多。且在角部(第10行×第1列)出现极值1.72。在实际工程中因忽略对角部光伏板的加强，结构容易出现被风吹坏的情况。

由图8可知，当风向角为180°时，体型系数柱状图呈现轴对称情况。第10行体型系数平均值(1.34)较150°时稍大，但在角部(第10行×第1列)值为1.3比150°时小；180°时第10行体型系数平均值(1.34)较0°时第1行(0.93)大。外围板较中间板大。

图2 0°风荷载体形系数三维柱状图

图3 30°风荷载体形系数三维柱状图

图4 60°风荷载体形系数三维柱状图

图5 75°风荷载体形系数三维柱状图

图6 120°风荷载体形系数三维柱状

图7 150°风荷载体形系数三维柱状图

图8 180°风荷载体形系数三维柱状图

2.3 光伏板阵列体型系数的折减系数

由上述分析可知光伏板阵列中中间板的体型系数远远小于迎风面板，因此在设计时需要对中间部板的体型系数进行折减。下表对风向角在0°～180°之间，以15°为增量的十二种工况下，对每块板的体型系数取最大值，见表1。

风向角为0°～90°时，迎风面外围板体型系数平均值为0.92，与《建筑结构荷载规范》(0.9)和日本丛书(0.96)较一致，比《光伏发电站设计规范》(1.3)小。风向角为90°～180°时，迎风面外围板体型系数平均值为1.26，与《光伏发电站设计规范》(1.3)和日本丛书(1.27)较一致，比《建筑结构荷载规范》(1.0)大。

根据数据分布的规律以及方便使用的原则，将方阵分为2个区域，对内部区域取折减。由外至内分别为：以方阵边缘一排和一列为A区、余下中间区域B区。

表1 风向角0°～180°各板体型系数最大值

以《光伏发电站设计规范》规定的体型系数1.3为基值，得到不同位置处光伏板体型的折减系数。见表2：

表2 折减系数

3 结语

本文通过CFD数值风洞试验对太阳能电池板阵列的风压分布和风荷载体型系数进行了研究，描述了不同风向角下面板体型系数的变化规律，比较了不同工况下光伏板体型系数的大小关系，得出以下结论：

(1)风向角为0°～90°时，迎风面板光伏板体型系数与《建筑结构荷载规范》和文献[3]一致，较《光伏发电站设计规范》小。风向角为90°～180°时，迎风面外围板体型系数平均值为1.26，与《光伏发电站设计规范》(1.3)和文献[3](1.27)的取值较一致，比《建筑结构荷载规范》(1.0)的取值大。

(2)风向角为90°～180°时，第10行的风荷载体型系数平均值(1.48)比规范值(1.0文献[1]和1.3文献[2])大。当风向角为150°时，在角部(第10行×第1列)出现极值1.72，比规范值文献[1][2][3]大很多。因此在设计过程中对阵列的负压迎风面边缘光伏板特别是角部光伏板的结构进行加强。

(3)迎风位置的外围光伏板受风力作用最强烈，体型系数比中间板大。以《光伏发电站设计规范》规定的体型系数1.3为基值，对中间板进行折减，本文建议折减系数取0.48，可为工程设计提供参考。本文为数值模拟结果，还有待风洞试验的进一步验证。

参考文献:

[1] GB 50009－2012，建筑结构荷载规范[S]．

[2] GB 50797－2012，光伏发电站设计规范[S]．

[3] 太阳光发电协会(日本)．太阳能光伏发电系统的设计与施工[M]．刘树民，等，译．北京：科学出版社，2007．

[4] 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)．

[5] 王莺鸦．塔式太阳能定日镜结构风荷载特性及风致响应研究[D]．长沙：湖南大学，2010．

[6] 黄本才，汪丛军．结构抗风分析原理及应用[M]．上海：同济大学出版社，2008．

中核集团又一项三代核电关键技术国际领先

据北极星电力网讯：4月12日，由中核集团中国核动力研究设计院自主研制的第三代棒控棒位系统，通过了中国核能行业协会组织的国内知名院士专家鉴定评审。鉴定认为：

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本次评审由中国工程院叶奇蓁院士和孙玉发院士担任专家组组长，来自核能行业协会、国家核安全局、环保部核与辐射安全中心、哈工大、西安交大以及中核集团、中广核集团等单位数十位专家参加了评审。