基于有限元的光伏支架风荷载的确定及强度分析

陈伟 陆元明 章正暘 张涛 张建伟 江继波 杨路培 张大千

摘 要：我国《光伏发电站设计规范》针对太阳能光伏支架的风荷载计算，规定体型系数为1.3，未考虑光伏组件倾角和风向角的影响，且大于美国、欧洲和日本的规范。以沈阳地区为例，提出确定光伏组件的最佳倾角的方法，利用有限元ANSYS软件，基于CFD方法，计算出最佳倾角下不同风向角的风荷载，据此开展流固耦合条件下光伏组件支架的强度分析。结果表明：对于0°和180°风向 角，按规范计算，支架应力和位移都比按CFD方法的风荷载计算的数值大；对于45°和135°风向角，按CFD方法的风荷载计算的应力和位移相差较大，其中45°风向角的结果较小，而135°风向角算出的应力和位移较大，甚至超出了按规范计算的结果。由此提出精确地分析光伏支架的风荷载及强度的方法。

关键词：光伏支架；风荷载；强度分析；有限元

文献标识码：A

Wind load determination and strength analysis of photovoltaic

bracket based on finite element method

Chen Wei1 Lu Yuanming1 Zhang Zhengyang1 Zhang Tao1 Zhang Jianwei1 JiangJibo1 Yang Lupei2 Zhang Daqian3*

1.Shanghai Electric Power New Energy Development co. LTD Shanghai 200010；

2.Nanjing Hite Electric Power Technology co. LTD JiangsuNanjing 211106；

3.College of Aerospace Engineering ，Shenyang Aerospace University LiaoningShenyang 110136

Abstract： Aiming at wind load calculation for the photovoltaic module bracket， China stipulates the provisions of shape coefficient is 1.3 in Specification for Design of Solar Photovoltaic Power Station， not considering the influence of tilt Angle of photovoltaic components and wind direction Angle， and it is more than the standard of United States， Europe and Japan. In Shenyang area， for example， we put forward the method of determining the optimum tilt angle of the photovoltaic modules， using the finite element software ANSYS， based on CFD method， to calculatethe wind load in different wind direction angle of optimum tilt angle， and to carry out accordingly strength analysis of photovoltaic module brackets under the condition of fluidsolid coupling. Results show that for 0°and180°wind direction， the stress and displacement of the wind load calculated by the code are larger than those calculated by the CFD method. For45°and135°wind direction， the stress and displacement of the wind load calculated by the CFD method are quite different. The results of the 45°wind direction are smaller， while the 135°wind direction is so large that exceed the calculated results according to the code. So we put forword the pricise method of wind load caculation and strength analysis of photovoltaic bracket based on finite element method.

Keywords：photovoltaic module bracket； wind load； strength analysis； finite element method

在光伏發电站的设计中，光伏组件单元所受风荷载的确定直接影响到支架与基础的安全性。我国《光伏发电站设计规范》[1]中，对于不同安装形式的光伏电站，目前没有较成熟的风荷载取值方法，仅针对太阳能光伏支架的风荷载，规定其体型系数为1.3，大于美国、欧洲和日本的规范，且该值并未考虑光伏支架的底部地面或者屋面、安装角度以及光伏支架之间的相互影响，设计上存在一定的不足，直接导致经济上的浪费。

为准确得到光伏组件的风荷载，西安理工大学的高亮，窦珍珍[2]等人，通過风洞试验，研究了光伏组件倾角、高度、间距及方阵中的位置等因素对风荷载体型系数的影响规律，马文勇[3]在风洞试验的基础上提出了风载荷的取值模型，张爱社[4]提出了风荷载的分离涡数值模拟方法，阮辉[5]采用美国德州理工大学的建筑模型分析了风荷载，张双燕[6]、黄张裕[7]也分别从风洞试验和数值模拟的角度研究了风载荷的体型系数。值得注意的是，以上研究并未涉及风载荷的不同取值对光伏组件支架强度的影响。

本文从工程实际出发，以沈阳地区为例，利用有限元ANSYS软件，基于CFD方法，计算出最佳倾角下不同风向角的风荷载，经验证后，对得到的风荷载开展光伏组件单元的强度分析，并与现有规范得到的计算结果对比，提出设计光伏电站时应注意的问题，为最优化设计提供参考。

1 基于CFD的光伏组件单元风荷载的确定

利用ANSYS软件workbench平台，对固定于地面的光伏组件单元（如图1所示），在不同风向角（0°，45°，90°，135°，180°）下的风场进行模拟，得出多工况下的光伏组件单元的风压分布，从而确定风载荷。以沈阳地区为例，取最佳倾角β=36.5°

（1）控制方程。

某光伏支架高度为两米，考虑到光伏电池板倾角，整个光伏组件单元的最大高度小于5米，该高度下涉及到的是空气的低速流动，近地面空气的马赫数较小，可看做不可压缩流体，其基本控制方程为时均形式的连续方程和动量方程：

（2）计算域及网格划分。

在流体的模拟计算中，阻塞率直接数值模拟的准确性，F Baetke提出[8]：风洞计算中的物体阻塞率不大于3%，本文光伏支架在36.5°倾角下，实际尺寸为10m（长）×4m（宽）×3m（高）。取流体域为50m×100m×30m，阻塞率足以满足模拟计算要求。采用Catia软件构建固体区域模型，基于Workbench平台对网格进行划分，并导入Fluent模块进行求解。

采用结构化网格划分，网格中的流固耦合界面及其附近采用加密网格，往外网格逐渐增大（如图2所示），划分网格数量为205800。

（3）边界条件及湍流特性。

选择入口边界类型为volocityinlet，采用平均风速剖面模拟10级狂风的作用。按照中国建筑规范[9]平均风速Vz=V10（z/10）α，其中α为空旷平坦地区地面粗糙度指数，模拟B类风场取为0.15，V10取25m/s。来流湍流系数可以通过直接给定的湍流动能k和湍流耗散率ε值的方式给出[10]：

其中湍流强度Iz和湍流积分尺度l参考日本规范。

由于出口处的速度和压力未知，故采用完全发展出流条件，即假设在出口方向除了压力以外，其他的流动变量和梯度为0，计算域顶部和两侧采用等价黏性流动中的无滑移壁面，对于耦合界面和地面采用无滑移的壁面条件。

RNG理论提供了一个考虑低雷诺数的流动，在钝体绕流的模拟中，RNG模型精度更高[11]，因此本文采用RNG模型进行湍流模拟。

对流场动能、湍流动能和湍流耗散率采用二阶迎风离散格式，对于速度压力的耦合算法采用SIMPLEC算法。残差收敛值采用默认的1.0e3，通过表面风压不再改变，来判断流场进入稳态。

（4）计算结果。

通过对不同风向角（0°，45°，90°，135°，180°）的风场进行模拟计算，得到光伏组件单元的风压分布（如图3图7，仅示正面）。

从图中可知，5种风向角下风压的分布各不相同，但折算成体型系数后，与文献[7]相对应工况的结果有基本一致，说明利用有限元ANSYS软件进行光伏组件单元风压的数值模拟是可行的。

《光伏发电站设计规范》中规定的体型系数是针对风向角为0°和180°给出的，用计算得到的均匀风荷载代替随光伏板面位置变化的风压，优点是简化了计算，但与实际板面的受力情况有较大的出入。

基于流固耦合的理论，将计算得到的不同风向角下的风荷载施加到光伏组件单元上，分析计算支架在不同风荷载工况下的等效应力、位移情况，开展结构强度分析，并与参照《光伏发电站设计规范》计算得到的结果对比。

2 不同风向角下的结构强度分析

2.1 有限元模型及边界条件

首先建立光伏组件单元的几何模型并划分网格，光伏支架采用梁单元（beam188），光伏电池板采用壳单元（shell181），支架的下端采用固定端约束，分别施加不同风向角下的风荷载，有限元模型含5433个节点，4353个壳单元，5160个梁单元（如图8所示）

2.2 计算结果及分析

由于90°风向角产生的风荷载很小，故忽略该工况光伏组件单元的强度分析。

（1）0°风向角下的计算结果。图9为按规范计算得到的支架等效应力云图，图10为在算得的风荷载作用下支架的等效应力云图。

可以看出，在0°风向角下，两种情况的应力分布并不相同，规范算出的应力普遍偏大，规范结果的大应力区域位于支柱下端，模拟风荷载结果的大应力区域位于支柱上横梁下端，规范结果的最大应力为116.8Mpa，位于支柱根部，模拟风荷载结果的最大应力为78.0Mpa，位于支柱上部。规范结果的最大位移为16.9mm，模拟风荷载结果的最大位移为6.1 mm。

（2）180°风向角下的计算结果。图11为按规范计算得到的支架等效应力云图，图12为在算得的风荷载作用下支架的等效应力云图。

可以看出，在180°风向角下，两种情况的应力分布大体相同，大应力区域均位于支柱下端，规范算出的应力普遍偏大，规范结果的最大应力为116.6Mpa，模拟风荷载结果的最大应力为78.8Mpa，均位于支柱根部。规范结果的最大位移为16.8mm，模拟风荷载结果的最大位移为13.4 mm。

（3）45°及135°风向角下的计算结果。图1314分别为45°及135°风向角下按模拟风荷载计算得到的支架等效应力。

可以看出，在45°风向角下的应力分布与风荷载计算的0°角的应力分布大体相同，大应力区域位于支柱上横梁下端，最大应力为73.6Mpa，位于支柱上横梁中部，最大位移为4.9 mm；在135°风向角下的应力分布与规范计算的应力分布大体相同，大应力区域位于支柱下端，最大应力为123.6Mpa，位于支柱根部，最大位移为19.3 mm。

2.3 结果分析

显然，对于0°和180°风向角，按规范计算，应力和位移都较风荷载计算的数值大，说明按规范设计较为保守，应适当修正规范内容；对于45°和135°风向角，风荷载计算的应力和位移相差较大，其中45°风向角的结果较小，而135°风向角算出的应力和位移甚至超出了按规范计算的结果，说明风向角对强度分析的影响很大，规范中应增加更多的针对不同风向角的体型系数要求。

3 结论

通过前述分析，得到如下结论：

（1）目前采用的光伏发电站设计规范在计算风荷载时仅规定了0°和180°的风向角，且体型系数取为1.3，相对保守，且未考虑风荷载相对较大的45°， 135°风向角的情况，有待完善。

（2）为精确地分析光伏支架单元的强度，应当在多种工况下，利用有限元软件，通过计算流体力学的方法，在正确分析计算风载荷的前提下进行。

（3）可以在光伏发电站的设计阶段，根据正确分析风荷载后的仿真结果，修改支架的结构形式、规格和尺寸，在保证质量的前提下降低成本。

參考文献：

[1]GB507972012，光伏发电站设计规范[S].

[2]高亮，窦珍珍，白桦，李加武.光伏组件风荷载影响因素分析[J].太阳能学报，2016，37（08）：19311937.

[3]马文勇，孙高健，刘小兵，邢克勇，刘庆宽.太阳能光伏板风荷载分布模型试验研究[J].振动与冲击，2017，36（07）：813.

[4]张爱社，高翠兰，申成军，张兵.屋面光伏板风荷载特性数值分析[J].计算力学学报，2016，33（05）：683688.

[5]阮辉，廖伟丽，王康生，赵亚萍.光伏阵列表面风荷载数值研究[J].太阳能学报，2015， 36（04）：871877.

[6]张双燕，苏森良，秦良忠，邵楠.光伏组件风荷载体型系数风洞试验研究[J].低碳技术，2017， （04）：89.

[7]黄张裕，左春阳.太阳能跟踪器光伏板风荷载体型系数值模拟研究[J].特种结构，2014， 137（31）：101107.

[8]F Baetke，Hwerner，HWengle.Numerical simulation of yurbulentflowover surfacemounted pbstacles with sharp edges and corners[J].Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1990，35：129147.

[9]GB500092012，建筑结构荷载规范[S].

[10]林拥军，沈艳忱，等.大跨翘曲屋盖风压分布的风洞试验与数值模拟[J].西安交通大学学报：2017，137（31）：17.

[11]kasperski M，Niemann H J.The LRC （load response correlation）methed：A general method of estimating unfavorable wind load distributions for linear and nonlinear structural behavior [J].Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1992，43（3）：17531763.

基金项目：辽宁省教育厅科学研究项目（L2011029）

作者简介：陈伟（1978），男，江苏徐州人，本科，工程师，主要从事电力系统及其自动化方向研究。

*通讯作者：张大千（1965），男，吉林松原人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事机械结构的强度分析工作。