人字形光伏阵列防风效果的数值模拟

赵文举，刘贵元，虎军宏，胡家珍

（兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃 兰州730050）

西北戈壁地区的有效风能密度高于200 W/m2，年可用时数超过5 000 h，平均年太阳辐射量达6 500 MJ/m2，风、光能资源十分丰富，是中国陆地风能开发潜力最高[1]和光能资源最丰富[2]的地区之一.但强烈的风吹日晒加剧了水的蒸发，限制着当地农业的发展，常兆丰等[3]的研究指出戈壁光伏电站兼有调节地表热力平衡和防风治沙的作用.因此，分析光伏阵列的防风效果，对戈壁地区光伏电站建设和农业发展具有切实的指导意义.

一方面，国内外学者就光伏阵列的风荷载特点进行了大量研究.SHADEMAN等[4]指出阵列选择适宜的纵向间距可以利用遮蔽效果来减小升力；WARSIDO等[5]分析了间距对光伏阵列风荷载的影响，研究指出风荷载系数随着光伏板之间纵向间距的增加而增加；高亮等[6]的研究发现光伏板风荷载对其倾角变化敏感且随倾角的增大而增大；周炜等[7]针对光伏板正向、背向风荷载的极限工况，分析了其在不同高度、倾角、间距布置下的风荷载及折减特性.JUBAYER等[8]研究了单列5块光伏板在不同迎风角度下的风荷载，结果表明：在迎风角度为0°和180°时，第1排承受最大的升、阻力，而在迎风角度为45°和135°时，光伏板承受最大的倾覆力矩.另一方面，国内外学者对常见风障的防风效果进行了大量研究.LI等[9]研究指出围栏的高度和孔隙率是控制流动结构和遮蔽效果的最重要因素；李家乐等[10]就挡风墙的防风效果进行了仿真研究，研究表明3 m和5 m挡风墙背风侧风速分别从0呈三角形和矩形趋势逐渐增加；沈广旭等[11]研究了3种孔隙率防风栅的挡风效果,结果表明：随着防风栅孔隙率的增加，防风栅对风压的减弱效果变差；张凯等[12]用数值模拟方法分析了三道连续HDPE板沙障的合理间距问题，研究表明:孔隙率一定时，入口风速越大，HDPE板沙障有效防护距离越小.

综上所述，国内外学者对光伏阵列风荷载特点和常见风障的防风效果进行了大量研究，为文中的研究积累了许多借鉴之处，但对于光伏阵列的防风效果鲜有研究.为此，文中采用三维数值模拟的方法，分析人字形光伏阵列的抗风载能力和防风效果，以期为戈壁光伏阵列布设和农业发展提供理论指导.

1 方法

1.1 几何模型

根据ALY[13]的研究，尺缩效应会造成试验与模拟得到的光伏板峰值荷载不一致，故文中采用原型尺寸建模.借鉴某型号光伏板的尺寸及布置参数，用UG 10.0建立由9块长（l）×宽（b）×厚（t）为2 m×1 m×0.05 m的光伏板组成离地高度M为0.20 m、阵列距离D为2 m、安装倾角a为30°、阵列角度A为30°布置的人字形光伏阵列模型.根据FRANKE等[14]创建的《建筑物环境中CFD模拟指南》，确定计算域尺寸：记光伏板顶缘高度为H，则阵列前缘5H处为入口边界，后缘15H处为出口边界，两侧5H处为壁面边界，顶部5H处为顶部边界，计算并用SpaceClaim软件创建的计算域尺寸为21.82 m×17.00 m×4.24 m，计算域及参数示意图见图1.

1.2 网格划分

为了提高网格质量，采用了以下方法：为较好捕捉到尺寸渐进和局部特征，全局网格的尺寸控制函数选用逼近与曲率函数；为减少四面体网格的数量，组件网格采用Cut Cell划分方法；使用边界层网格与局部尺寸函数对光伏板和底面附近网格进行局部优化[15].划分得到5 838 369个网格节点，5 431 865个计算单元.计算域网格剖视图见图2.

1.3 数值模型

使用Fluent非定常求解器进行三维原型仿真分析.有研究表明，SSTk-ω湍流模型在研究倾斜板附近流场方面优于Realizablek-ε模型[5]，且RANS比LES更能准确描述流动分离和遮蔽效应[16]，故采用SSTk-ω湍流模型求解基于雷诺平均的Navier-Stokes方程的方法.赵文举等[17]指出，当粒径超过10 mm后削弱度基本不变，文中取底面边界为10 mm的无滑移固定边界；根据当地气象资料，速度入口分别取10 m/s和15 m/s，自由压力出口；指定材料属性，监控光伏板上表面升、阻力系数，使用Hybrid方法初始化.时间步长取0.2 s，迭代50步，每步最大迭代次数为40次.

2 结果与分析

首先通过分析光伏板上表面压力和计算域特征高度的风速分布，定性描述该阵列光伏板风压承载状况和计算域特征高度风速特点；然后分别对光伏板承受的风压力和特征高度的风速值进行统计学分析，以定量表征该布置下光伏阵列的抗风载能力和防风效果.

2.1 风压和风速分布

由于模型和来流条件均具有严格的对称性，故只需取阵列一侧作为研究对象；且此来流条件下光伏板最可能从上表面开始破坏，故只需研究其上表面的风压分布特点.图3a，3b分别为10 m/s和15 m/s风速下，第1—5排光伏板上表面压力p云图.可以发现：最大正压均出现在光伏板前缘偏外侧区域，即阵列底部翼型连线上，最大负压出现在光伏板左侧区域，即阵列内侧翼型连线上；极端正压和极端负压区域面积均随着排数的增加而减小；首排光伏板承受较高风压力，起到保护其他排的作用，即出现“雁阵效应”.

分别取安装高度一半、安装高度、光伏板中心高度和光伏板顶缘高度的特征截面，即离地0.10，0.20，0.45，0.70 m处的风速为研究对象，以特征截面的风速反映计算域空间上的风速分布特点.图4为10 m/s和15 m/s下各截面的风速等值线图.一方面，等值线的疏密程度能够反映风速在空间上的变化情况：在光伏板附近等值线密集，风速急剧变化；另一方面，等值线的值反映各级风在空间上的分布情况：来风在通过人字形阵列时锐减，在阵列后形成近金字塔形的风速衰减区，证实了此布置方式具有较好的防风效果；在阵列外侧形成局部风速激增区，可能是由于出现雁阵效应后，光伏板的导流作用加速了阵列外侧区域的空气流动.

2.2 抗风载能力

为进一步量化分析阵列抗风载能力，在每块光伏板上用矩形网格法按0.4 m的等间距取3×5个监测点，分别用风压承载率和风压区监测点占有数直观表示光伏板整体和局部的风压承载状况，以反映该光伏阵列不同位置的抗风载能力.

其中，风压承载率计算方法见式（1），风压承载率越小，表明该排光伏板的承载状况越好，即该处的抗风载能力越小.

（1）

式中：ηi为第i排的风压承载率；Pi为第i排的平均压力.

现将各排光伏板的风压力描述性统计特征列入表1，其中v为风速，i为排数，SP为压力标准差，e为变异系数.可以发现：第1排承受最大的风压力，第2—5排需要的抗风载能力显著小于第1排且逐排减小：当风速为10 m/s时，第2—5排的抗风载能力分别仅是第1排的51.09%，46.52%，36.56%和29.90%；当风速为15 m/s时，第2—5排的抗风载能力分别仅是第1排的49.44%，44.71%，37.09%和29.26%.风速为10 m/s和15 m/s时，第1—5排变异系数均逐渐增大，光伏板表面的风压不均匀度逐排增加，故有必要进一步分析光伏板表面风压的局部特点.

表1 各排光伏板的风压力描述性统计特征

为分析光伏板表面风压的局部差异性，将各排光伏板上监测点|P|按20 Pa的间隔划分为不同的风压区.统计各风压区的监测点数，得到如图5a，5b的各排风压区监测点占有数统计图.可以发现：风速为10 m/s和15 m/s时，第1排0～20 Pa区间监测点占有数均远小于其他排，承受较大的风压力.当风速为10 m/s，第1排40～60 Pa区间监测点占有数远大于其他排；当风速为15 m/s时，第1排120～140 Pa区间监测点占有数远大于其他排.首排光伏板对后排光伏板均起到保护作用，且极大压力区均随排数的增加而显著减小，故实际建设中只需采取局部加固的方法即可提高光伏阵列整体的抗风载能力.

2.3 防风效果

（2）

式中：ηd为风速残余系数；v计算为风场中任意点处风速；v初始为入口风速，此例为10 m/s.

表2 计算域不同高度风速的描述性统计特征

由表2可知，各工况下计算域内的平均风速残余系数ηd均随离地高度的增加而增大：当风速为10 m/s时，在离地0.10 m处，计算域内的平均风速残余系数最小，随着高度的增加，计算域内平均风速残余系数分别增加3.75%，3.77%和3.18%；当风速为15 m/s时，在离地0.10 m处，计算域内的平均风速残余系数最小，随着高度的增加，计算域内平均风速残余系数分别增加4.46%，5.79%和3.76%.可能是由于阵列的防风效果由遮蔽效果和导流效果构成，随着高度的增加，导流效果逐渐增强，导致光伏阵列计算域内的防风效果随着高程的增加而减弱.在离地0.10 m处，平均风速残余系数均是最小的，说明此布置对光伏板安装高度以下空间具有良好的防风效果.在离地高度从0.20 m增加到0.45 m的过程中，平均风速残余系数增量最大，这是因为光伏板沿阵列方向的导流效果骤增，本计算方法将阵列两侧区域的风速值也考虑在内，故计算域平均风速会有显著提高.在离地高度从0.45 m增加到0.70 m的过程中，阵列计算域内的平均风速残余系数增量较小，这是因为光伏板沿阵列方向的导流效果变化不显著.

各工况下风速分布均表现出中等变异性.当风速为10 m/s时，变异程度从大到小依次为0.20，0.45，0.70，0.10 m；当风速为15 m/s时，变异程度从大到小依次为0.20，0.45，0.10，0.70 m.分析认为是由于在0.20 m处，出现“雁阵效应”，在阵列外侧形成风速激增区，导致计算域风速分布的差异性骤增；在离地高度从0.20 m增加到0.70 m的过程中，由于导流效果增强，防风效果减弱，计算域风速均有所提高，故变异系数逐渐减小.

3 结 论

通过基于雷诺平均的三维非定常数值模拟试验，分析了安装倾角、高度、阵列角度和间距分别为30°，0.20 m，30°和2 m人字形光伏阵列在10 m/s和15 m/s的迎风条件下的抗风载能力和防风效果，得到以下结论：

1） 最大正压和最大负压区分别位于阵列底部、内侧翼型连线上，且面积均随着排数的增加而减小；首排光伏板相较于后排承受较高风压力，阵列出现“雁阵效应”.在人字形阵列后形成近金字塔形的风速衰减区，具有较好的防风效果；在阵列外侧形成局部风速激增区，光伏板的导流作用加剧了阵列外侧区域的空气流动.

2） 当风速为10 m/s和15 m/s时，首排光伏板均承受最大的风压力，第2—5排需要的抗风载能力显著小于首排且实现逐排减小趋势；第1—5排变异系数均逐渐增大.将|P|以20 Pa的间隔划分为不同风压区，可以发现：第1排极小压力区监测点占有数远小于其他排，而极大压力区监测点占有数远大于其他排，首排光伏板对后排光伏板均起到保护效果，且极大压力区均随排数的增加显著减小，故实际建设中只需采取局部加固的方法即可提高光伏阵列整体的抗风载能力.

3） 当风速为10 m/s和15 m/s时，计算域内的平均风速残余系数均随离地高度的增加而增大，风速分布均表现出中等变异性的特征.在离地高度从0.20 m增加到0.45 m的过程中，风速残余系数增量分别达到极大值3.77%和5.79%；当风速为10 m/s时，变异程度从大到小依次为0.20，0.45，0.70，0.10 m；当风速为15 m/s时，变异程度从大到小依次为0.20，0.45，0.10，0.70 m.分析得出是由于阵列的防风效果由遮蔽效果和导流效果构成，在离地高度从0.20 m增加到0.70 m的过程中，导流效果随着高度的增加而增强，使得阵列整体防风效果随着高程的增加而减弱.