阵列光伏板风荷载遮挡效应分析

李居庆 何艳丽 徐志宏

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124； 2.中清能绿洲科技股份有限公司，北京 102600)

1 概述

太阳能作为优质的可再生资源，受到世界各国的重点关注[1]。太阳能光伏板主要固定在支架系统上，在太阳光的照射下将太阳光转化为电能。其中风荷载是起到控制作用的荷载，而随着光伏产业的快速发展，太阳能光伏板大多以阵列的方式布置，从而光伏群体遮挡效应的研究是非常重要的[2]。目前国内外学者对光伏板风荷载特性已进行了一定的研究[3,4]，国内对单块光伏板表面所受的风荷载的取值主要参考风洞实验的结果和GB 50009—2012建筑结构荷载规范[5]的规定。但是不同的布置形式，光伏板之间的相互干扰作用是不明确的，所以对于不同的光伏板布置形式，需要进行系统、深入的研究。

本文将采用计算流体力学(CFD)的方法,对阵列光伏板体型系数的遮挡效应进行数值模拟分析。本文的光伏板支撑在网架结构上，阵列光伏板上风荷载的遮挡效应会对体型系数取值有很大影响，从而影响平板网架结构的用钢量，因此对阵列光伏板体型系数及其之间的干扰效应进行研究，对太阳能光伏板结构设计有重要的意义。

2 计算模型及工况

2.1 工程概况

阵列光伏板的支撑结构为平板网架，结构所在地区25年基本风压为0.31 kN/m2,地面粗糙度类别为C类。平板网架规模(长×宽×高)：188.5 m×113.1 m×6 m，结构设计使用年限25年。由于光伏板之间的遮挡效应复杂，风荷载分布无现成资料可供借鉴，本文采用CFD方法对光伏板的风压分布进行数值模拟，为结构抗风设计和光伏板布置提供依据，见图1。

2.2 CFD数值模拟模型选取

数值模拟时，首先需要建立一个数值风洞，数值风洞风场尺寸的大小与计算精度密切相关。阵列光伏板数值风洞风场尺寸，在生成网格的光伏板及其支撑需要加密，加密区长×宽×高=113 m×56 m×6 m，整个流场尺寸为833 m×1 226 m×50 m，依次为流场区域的宽度、长度和高度方向，如图2所示。

2.3 CFD数值模拟方法

对于单个和阵列光伏板计算工况，入口处均采用指数形式的C类地貌风速剖面边界条件，指数α=0.22。风场进口速度为22.6 m/s，入口处的湍流度取23%，风场出口采用压力出口。光伏板表面、地面和连接面之间采用无滑移的壁面条件，风场的两个侧面和顶部面采用对称的边界条件。

本文采用两方程标准κ-ε湍流模型进行数值模拟，两方程标准κ-ε模型是目前应用最广泛的两方程湍流模型。在满足计算精度的条件下，两方程标准κ-ε模型具有较好的收敛速度，并且能够模拟出建筑周围及内部风流场，表征漩涡间的相互影响。对于压力—速度耦联方程，采用SIMPLE算法实现各联立方程的解耦及压力场和速度场的校正。

2.4 模拟工况

考虑到群体面板之间的遮挡效应，研究仰角10°的阵列光伏板在不同风向角下光伏板之间的遮挡效应，计算工况如下：风向角0°，45°，135°，180°，共4种工况，见图3。

3 太阳能光伏板模型计算结果及分析

3.1 CFD体型系数提取

体型系数为CFD模拟的风压系数除以风压高度变化系数。风压值的正负号意义如下：正号表示风压沿结构表面法向向内，即对表面产生压力；负号表示风压沿结构表面法向向外，即对结构表面产生吸力。具体CFD数值模拟结果见表1～表3。

表1 第1列光伏面板体型系数

表2 第2列光伏面板体型系数

表3 第3列光伏面板体型系数

表中的第一排为迎风前侧无光伏面板的第一排，0°和45°第一排相同，135°和180°第一排相同。0°和180°所对应的第一排光伏板不同，迎风第一排光伏板方向相反。

单排光伏板在0°风向角下的体型系数为1.12，45°风向角下体型系数为0.78，135°风向角下体型系数为-0.74，180°风向角下体型系数为-1.05。

3.2 模拟结果分析

本文没有考虑平板网架和光伏板支架对光伏板体型系数的影响，光伏板下部连接地面的面设为内部面，第一列光伏板体型系数的变化规律如图4所示。

根据CFD数值模拟结果和进一步分析的结果，可以得出不同风向角下阵列光伏板体型系数有以下规律：

1)阵列光伏板之间存在干扰效应，即迎风上游光伏板对下游光伏板存在遮挡效应。从体型系数来看，仰角10°的阵列光伏板由于上游光伏板的存在会使下游光伏板的体型系数减小，随着上游光伏板的增多体型系数在三排以后趋于稳定。

2)仰角10°的阵列光伏板第一排光伏板在各个风向角下的体型系数和单块仰角10°的光伏板在各个风向角下的体型系数基本相同，下游光伏板对迎风第一排光伏板体型系数影响不大。

仰角10°的阵列光伏板，0°风向角下各排光伏板体型系数均大于45°风向角下各排光伏板体型系数；180°风向角下各排光伏板体型系数绝对值均大于145°风向角下各排光伏板体型系数。

4 算例分析

研究遮挡效应对平板网架结构的用钢量的影响，以光伏板倾角10°、光伏板间距为1.8 m的阵列光伏板进行建模计算[6]。根据某公司提供的平板网架屋面的建筑图，建立螺栓球平板网架结构的屋盖，平板网架为正放四角锥网架。网架几何参数为平面尺寸188.5 m×113.1 m，网架右下方缺口平面尺寸为37.7 m×52.2 m，平板网架的面积为19 351 m2，网架厚度为3.0 m，平面网格尺寸为2.9 m×2.9 m。平板网架周边支撑在钢筋混凝土柱上，支座的刚度大，可以不考虑其变形，所以把平板网架的支座简化为固定铰支座，平板网架的支座布置在下弦节点上。网架结构布置图及支座位置图如图5所示。

本文太阳能光伏板采用单晶硅太阳能电池板，铝合金边框，钢化玻璃面板，取光伏面板密度为2 300 kg/m3。平板网架上所受的荷载本文只考虑恒荷载和风荷载，其中平板网架上弦支撑的光伏面板和支架换算成集中荷载为0.42 kN，即上弦节点所受的恒荷载为0.42 kN。光伏板上的风荷载分为两种情况：1)单排光伏板上的风荷载作为阵列光伏板的风荷载；2)考虑遮挡效应的阵列光伏板上的风荷载。两种情况都只考虑0°和180°下光伏板所受的风荷载。

结构对比分析结果为：单排光伏板上的风荷载作为阵列光伏板的风荷载时，杆件单元和螺栓球节点的总重量为456.98 t，用钢量为23.6 kg/m2。施加考虑遮挡效应的阵列光伏板上的风荷载时，将上弦节点上的恒荷载和风荷载进行荷载组合，统计结构分析计算结果。杆件单元和螺栓球节点的总重量为412.78 t，用钢量为21.3 kg/m2。

根据结构分析计算结果，考虑遮挡效应的阵列光伏板的平板网架杆件单元和螺栓球节点的总用钢量比单排光伏板上的风荷载作为阵列光伏板的风荷载的平板网架总用钢量减少44.2 t。

5 结语

本文通过计算风工程的方法对光伏板风荷载体型系数进行了研究，首先对阵列光伏板在不同风向角下的遮挡效应进行分析，然后对比考虑遮挡效应的阵列光伏板的平板网架和不考虑遮挡效应的阵列光伏板的平板网架的用钢量区别，可以得到以下结论：

1)仰角10°的阵列光伏板第一排光伏板在各个风向角下的体型系数和单块仰角10°的光伏板在各个风向角下的体型系数基本相同，阵列光伏板的下游光伏板对迎风第一排光伏板体型系数影响不大。

2)阵列光伏板上游光伏板对下游光伏板存在明显干扰效应，迎风第一排光伏板所受的风荷载最大，迎风前排光伏板对后排光伏板存在遮挡效应。仰角10°的光伏板随着排数增加体型系数逐排减小，从第三排光伏面板开始体型系数趋于稳定。

3)根据算例结构分析计算结果，考虑遮挡效应的阵列光伏板的平板网架杆件单元和螺栓球节点的总用钢量比单排光伏板上的风荷载作为阵列光伏板的风荷载的平板网架用钢量减少9.7%。