一种平坦地形光伏支架风荷载优化应用

荆雷 韩晓亮

摘  要：建设太阳能光伏发电工程，符合国家新能源产业政策和内蒙古地区电源规划原则。开发新能源是我国能源发展战略的重要组成部分，我国政府对此十分重视。在太阳能光伏电站项目中，光伏板支架及基础是整个光伏电站项目投资的重要组成部分，而在光伏板支架及基础的设计过程中，风荷载是光伏板支架设计中的控制荷载，对光伏电站中风荷载的取值进行更为细致的研究，对光伏电站项目而言都具有极为重要的意义。

关键词：光伏;风荷载;优化

中图分类号：TU312.1  文献标识码：A

1光伏产业发展前景

2020年12月12日，国家主席习近平在气候雄心峰会上通过视频发表题为《继往开来，开启全球应对气候变化新征程》的重要讲话，宣布中国国家自主贡献一系列新举措。习近平主席提到：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

内蒙古自治区西部，地域广袤，光资源充足，适宜建设大规模光伏电站，尤其是内蒙古西部，有大量荒漠化土地，地势较为平坦，近几年国家推出相关光伏治沙和牧（农）光互补相关产业政策，在大力发展新能源的同时，兼顾了环境治理和资源整合。

2光伏结构设计优化要点

2.1光伏结构设计要点

在太阳能光伏电站项目中，光伏板支架及基礎是整个光伏电站项目投资的重要组成部分，而在光伏板支架及基础的设计过程中，由于光伏板自身重量较轻，自重及地震工况往往不起控制作用，大多数情况下风荷载是光伏板支架设计中的控制荷载，换言之，风荷载的取值大小直接决定着光伏电站的投资成本，因此，无论从技术角度还是经济角度来看，对光伏电站中风荷载的取值进行更为细致的研究，对光伏电站项目而言都具有极为重要的意义[1]。

2.2光伏结构设计风荷载取值

目前光伏支架及基础设计的相关规范要求以基本风压作为支架及基础计算的依据，根据《建筑结构荷载规范》，基本风压是按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按贝努利（Bernoulli）公式确定的风压。根据《太阳能发电站支架基础技术规范》GB51101-2016，基本风压应采用重现期不低于支架基础设计使用年限的值，对于光伏发电站支架基础可取重现期不小于 25 年的值。根据《光伏支架结构设计规程》NB/T 10115-2018，地面光伏支架设计时，应按25年重现期确定基本风压[2]。

（1）因为光伏发电场光伏板排列前后间距非常紧密，而且一般都成片的连成若干个方阵布置，在风吹过光伏方阵时，与空旷平坦地面的气流条件是截然不同的，严格来说，作用在光伏板上的风荷载不能直接采用基本风压计算，但是对于光伏阵列的风荷载折减系数究竟取多少合适，仍然有待商榷;（2）由于上风向的光伏板对下风向的光伏板存在着明显的挡风效应，位于光伏阵列内部光伏板上的的风荷载会明显小于位于光伏阵列边缘光伏板上的风荷载。因此，在光伏发电场设计时，如果对所有光伏板都按照同样的风荷载进行取值，不仅不符合风荷载作用的实际情况，而且也是十分不经济的，会造成大量不必要的投资[3]。

基于以上原因，《光伏支架结构设计规程》NB/T 10115-2018规定，在进行大范围集群光伏支架结构设计时，虽然没有对基本风压进行折减，但在具体支架体型系数采取时，进行了相关规定，其实也是考虑了风荷载在光伏支架上产生的效应的不同。

本文直接对大范围平坦地形光伏支架不同区域的风荷载基本值进行了研究，给出更明确的一种取值算法。

2.3风荷载实测和理论计算

本次研究以已建成的内蒙古自治区达拉特旗境内某大型光伏发电场为研究对象，采用现场试验与CFD数值模拟方法相结合的方式对低层气流流经大型集中式光伏发电场产生的衰减现象进行研究[4]。

这里关于项目当地具体气象条件不详细论述。

如图1所示为测风设备安装位置示意图。本次试验共安装3套风速和风向仪，其中2套安装于阵列中（如图2所示的现场编号1、2号气象站），测风仪高于光伏阵列1米;1套测风塔安装于阵列外（如图3所示的3号气象站），海拔高度与1、2号气象站基本一致，周围无任何障碍物，以3号气象站的数据作为场地风压计算的基本数据，与以1/2号气象站的数据计算的基本风压做对比。

本次截取2018年11月至2019年10月数据进行处理，得出各段风速如表1所示：

根据上表2可知对于N向来风，根据光伏区内测风点1#、2#计算的各风速段基本风压与光伏区外控制点3#计算出的各风速段基本风压比最大为0.38，且根据1#计算的结果与根据2#计算的结果相差不大。因此根据实测数据对于N向来风，光伏区内部风压折减系最小可取0.38。

笔者还对现场S、E、W、WS、WN、NE、NS向来风不同角度进行分析，W向来风，根据光伏区内测风点1#、2#计算的各风速段基本风压与光伏区外控制点3#计算出的各风速段基本风压比最大为0.83，其他方向，根据光伏区内测风点1#、2#计算的各风速段基本风压与光伏区外控制点3#计算出的各风速段基本风压比最大为0.73[5]。

2.4光伏场风荷载的CFD数值模拟

2.4.1 边界条件

场地地形：水平状态。

光伏板朝向：正南方向，与水平方向夹角39°。

来流风速：17.1m/s（水平风速，即垂直风向角为零度），属于七级与八级风。

来流风向：正北、正南、北偏西30°、西北风45°、西偏北30°、西南风45°、西风、东风等8个风向。

标准空气状态：大气压（101千帕）、空气密度（1.25㎏/m³）。

分析中空气设定为恒密度，忽略空气随气压变化而产生的密度变化。

风速风压对照表，是当风向垂直物体表面时所产生的最大风压，当风向与物体表面夹角变小时，在相同風速状态下，表面风压随之变小。由于光伏板设置水平夹角为39°，因此水平风速与太阳能板夹角也为39°[6]。

2.4.2 模拟分析

正北风向：

如图4所示，从正北风向模拟图中可以看出受第一排太阳能板的阻挡，光伏阵列内部风速明显衰减。

北偏西30°风向：

如图5所示，从北偏西30°风向的模拟图中可以看出布局内部风速较小，但在30°斜向风的影响下，在内部出现一条约45°斜向较高风速带。

3研究结论

根据以上现场试验结果以及CFD数值分析可以得出如下结论[7]：

（1）结果均表明，不论风速风向如何，低层气流流经大型集中式光伏发电场均会产生明显的衰减现象;

（2）在垂直于光伏阵列的气流吹过时，迎风的第一排光伏板承受的风压最大，经过第一排光伏板后，在光伏阵列内部的风压明显衰减，在与光伏阵列斜交的气流吹过时，在光伏阵列内部会产生一个斜向的较高风速带，此时，光伏阵列中迎着斜向风的两个边缘的第一排光伏板承受的风压最大，经过这两排光伏板后，在光伏阵列内部的风压明显衰减。

（3）对于同一方向来风，风速越大，风压折减系数有变小的趋势。

（4）对于N、NE、E、W这四个方向来风，风压折减系数在1#与2#计算的结果相差较小;对于NW、S、SE、SW这四个方向来风，风压折减系数在1#与2#计算的结果相差较较大，说明风流过光伏阵列时，在光伏阵列内部的风压折减系数与风向有关。

（5）现场试验结果分析表明，密集光伏支架区域中心位置，最小的风荷载折减系数为0.83。

（6）在进行光伏支架结构计算时，设计人往往取值垂直于光伏支架方向的风荷载，即N向来风，其他方向最为校核计算使用。在采用N向来风转换为基本风压时，密集光伏核心区支架核算时，按实测和研究结果可以采用极限0.38的折减系数。

（7）本研究结果仅限于平坦地形，单个集群单元，相对空气密度情况。研究结论，未考虑各种偶发工况，故相关参数册采用，仅供交流jiq参考，相关设计计算，仍需按规范执行。

参考文献

[1]孙海涛，顾全军，朱彦飞，等.中日菲三国太阳能光伏支架风荷载计算[J].低碳世界，2016（21）：262-263.

[2]陈伟，陆元明，章正暘，等.基于有限元的光伏支架风荷载的确定及强度分析[J].科技风，2018（16）：168-170.

[3]买发军.某大型光伏电站支架分层风荷载分析研究[J].太阳能，2017（9）：29-31.

[4]周承军，陈亮，陈创修，等.平单轴光伏支架在大风保护状态时的最佳倾角研究[J].太阳能，2019（7）：52-59.

[5]朱德志.新型压重式光伏支架的荷载分析与应用[J].镇江高专学报，2017，30（1）：54-56，67.

[6]史磊.光伏电站支架系统结构抗台风设计实践[J].南方能源建设，2020，7（1）：90-94.

[7]李伟，董兆萍，王云浩.光伏电站阵列风荷载数值模拟研究[J].天津城建大学学报，2020，26（3）：213-217，224.

收稿日期：2021-08-05

作者简介：荆雷（1980—），男，河北保定人，硕士，工程师，研究方向：发电、新能源设计。